有機(jī)分子器件電輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、利用單分子來(lái)構(gòu)建具有各種特殊功能的電子器件已經(jīng)成為當(dāng)今微電子學(xué)領(lǐng)域的前沿研究課題之一。近年來(lái)，對(duì)單分子電學(xué)特性的測(cè)量和對(duì)單分子器件的研究已經(jīng)成為分子電子學(xué)研究的重要內(nèi)容，其研究工作具有重要的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本文的工作是利用密度泛函理論，結(jié)合發(fā)展了的格林函數(shù)方法來(lái)研究有機(jī)分子器件的電輸運(yùn)性質(zhì)。 本文選擇有機(jī)分子作為研究對(duì)象，由金來(lái)作為金屬電極。為了研究電極和自由分子的相互作用，選用有限個(gè)金原子組成的金原子團(tuán)簇來(lái)模擬電極與

2、自由分子相連，有機(jī)分子處在兩金原子團(tuán)簇之間，形成擴(kuò)展分子。利用三個(gè)金原子組成的團(tuán)簇可以很好的模擬了分子和金(111)面的相互作用。分子與金表面的相互作用是通過(guò)分子軌道和金原子團(tuán)簇的軌道之間雜化實(shí)現(xiàn)的，雜化的結(jié)果使原來(lái)各部分的軌道發(fā)生耦合，形成擴(kuò)展分子軌道。在這些軌道中，部分軌道擴(kuò)展于金原子團(tuán)和有機(jī)分子之中，正是它們?yōu)殡娮拥妮斶\(yùn)提供了通道，而其它的軌道只局域于擴(kuò)展分子的某一部分之中，它們對(duì)電子的輸運(yùn)基本沒(méi)有貢獻(xiàn)。 目前，分子電子學(xué)

3、領(lǐng)域研究較多的是以苯環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單元的芳香族有機(jī)化合物，因?yàn)榉枷阕寤衔锖心軌蛟诜肿又凶杂梢苿?dòng)的π電子。含有氮原子的雜環(huán)分子有著與苯環(huán)類似的自由π電子，因此也是分子器件的較好選擇，但目前對(duì)雜環(huán)分子研究尚少。同時(shí)，在終端原子的選取上，研究最多的是利用硫原子與金屬電極相連，很少選用其它原子。我們研究了含有兩個(gè)氮原子的六元雜環(huán)系列分子2，5-噠嗪二硫酚，2，5-吡嗪二硫酚和2，5-嘧啶二硫酚的電輸運(yùn)性質(zhì)。并討論了以氧族元素不同原子作為終端原

4、子對(duì)雜環(huán)分子吡啶的電子輸運(yùn)特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，不同的雜環(huán)分子具有不同的電導(dǎo)特性，2，5-噠嗪二硫酚與2，5-吡嗪二硫酚具有相似的I-V曲線，前者具有更好的電學(xué)特性，而2，5-嘧啶二硫酚在外加電壓較低時(shí)電導(dǎo)值比較小。對(duì)于吡啶分子，選取硒原子作為終端原子時(shí)，其導(dǎo)電特性優(yōu)于分別以氧原子和硫原子作為終端原子的情況，當(dāng)外加電壓為2.0V時(shí)，吡啶分子分別以氧原子、硫原子和硒原子作為終端原子組成的擴(kuò)展分子的電導(dǎo)之比為1.0∶4.3∶5.0。

5、 當(dāng)分子與金屬電極相連時(shí)，其電學(xué)特性受諸多因素影響，如分子的幾何結(jié)構(gòu)，分子與電極之間的相互作用，外加電場(chǎng)和溫度等。而分子在金屬表面上的不同取向也是影響分子器件電學(xué)性質(zhì)的重要因素。本工作中我們選取1，8-辛二硫醇分子作為研究對(duì)象，研究了1，8-辛二硫醇分子在金原子團(tuán)簇上不同取向?qū)υ摲肿咏Y(jié)電輸運(yùn)特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，分子與金原子團(tuán)簇表面之間方位角的不同會(huì)導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)的改變，從而影響分子體系的電輸運(yùn)特性。當(dāng)1，8-辛二硫醇分

6、子S-S軸線與金(111)面的法線成25°夾角時(shí)，所得到的電流-電壓曲線與實(shí)驗(yàn)值符合較好。 本論文共包括六章內(nèi)容：第一章為綜述部分，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度介紹了分子電子學(xué)當(dāng)前的發(fā)展情況；第二章介紹了密度泛函理論的基本框架和發(fā)展過(guò)程，以及我們?cè)趹?yīng)用密度泛函理論時(shí)基函數(shù)的選取問(wèn)題；第三章則對(duì)本工作中研究分子結(jié)的伏安特性所用的理論方法——彈性散射格林函數(shù)方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)；第四章和第五章介紹了本工作的計(jì)算過(guò)程和研究結(jié)果。第六章對(duì)本工作