半導體表面導電分子線的生長機理與電磁性質研究.pdf

1、隨著人們對計算能力要求的不斷提高，電子器件的尺寸越來越小，速度越來越快，逐漸發(fā)展為分子電子器件。其中，一維分子線因其獨特的力學性質、電學性質和磁性質等成為分子電子器件中一種重要的構建單元。如何使分子線穩(wěn)定地與半導體表面結合的同時保持分子線本身的電磁性質非常關鍵。近年來，無論是實驗上還是理論上對一維分子線在半導體襯底上的結合機制及電磁性質的調控等方面的研究都取得了一定的進展。本論文基于第一性原理的密度泛函理論計算，研究了一維分子線及其在半

2、導體硅/鍺襯底上的電磁性質，利用有機分子在表面的選擇性吸附和自組裝機制，提出了幾種在半導體表面制備分子線的可能方法，并在理論上證明了通過摻雜和外加電場等手段可以調控其在半導體表面上的電磁性質。主要研究內容如下:
　　1)通過表面聚合反應在H-Si(001)-2×1表面制備導電分子線。如何將導電分子線穩(wěn)定地釘扎在半導體襯底上是分子線走向應用首先要解決的難題。針對這一難題，我們提出了一種分兩步在H-Si(001)-2×1表面制備HPy

3、MB導電分子線的方法。第一步，HPyMB分子通過吡啶環(huán)選擇性吸附在H-Si(001)-2×1表面[110]取向的Si懸掛鍵上;第二步，吸附的HPyMB通過分子間脫水反應聚合形成分子線。我們的計算表明，HPyMB分子能夠通過形成Si-N共價鍵穩(wěn)定地吸附在Si表面，形成的分子線/襯底結構是金屬性的，但導電能力很差，通過空穴摻雜可以提高其導電性。該分子線是其唯一的導電通道，且體系的電子性質對外電場不敏感，這有利于其在實際中的應用。
　　

4、2)1，3，5-三乙炔苯在H-Si(100)-2×1表面自組裝及通過與CO的表面聚合反應制備表面導電聚合物。我們提出了利用炔烴分子在H-Si(100)-2×1表面通過自組裝進一步形成表面聚合物的機制。研究表明，1，3，5-三乙炔苯(TEB)分子首先在H-Si(100)-2×1表面形成沿著[011]方向的一維分子陣列，然后通過連接在表面的分子與CO發(fā)生分子間[2+2+1]加成反應聚合形成分子線。這種分子線/Si(100)-2×1結構本身具

5、有半導體性質，且通過電子摻雜能夠將其轉變?yōu)榻饘?，與我們研究的其它的分子線/半導體組合一樣，分子線的能帶穿過費米面，提供導電通道，而Si襯底能夠保持它本身的半導體性質。
　　3)利用分子自組裝和表面聚合反應在H-Si(100)-2×1表面制備導電聚噻吩。聚噻吩在電致發(fā)光，化學傳感器等方面有著廣泛的應用前景，但如何在半導體表面高效制備聚噻吩仍是當前的一個挑戰(zhàn)。利用烯烴在H-Si(100)-2×1表面的自組裝反應機制，我們研究了不同長度

6、的噻吩取代的鏈狀烯烴分子(H2C=CH-(CH2)n-thiophene)在H鈍化的Si(100)-2×1或Ge(100)-2×1表面形成一維分子陣列的機理。研究表明，當H2C=CH-(CH2)n-thiophene分子在表面形成分子陣列后，噻吩環(huán)并列位于分子陣列頂端，一旦噻吩環(huán)中引入游離基，相鄰的噻吩可以聚合形成聚噻吩，進一步形成生長在半導體表面的聚烷烴噻吩-Si/Ge(100)-2×1結構。像大多數(shù)的導電聚合物一樣，聚烷烴噻吩-Si

7、/Ge(100)-2×1為半導體，且可以通過空穴摻雜或施加外電場調節(jié)使其具有導電性。更重要的是，襯底和連接在表面的聚合物都能夠保持它們各自的電子性質，并且聚噻吩鏈是唯一的導電通道，因此能夠有效的防止發(fā)生漏電現(xiàn)象。
　　4)[EuCOTB]∞三明治分子線及H-Ge(001)-2×1表面對分子線電磁性質的影響。鑭系有機金屬三明治化合物由于具有高的穩(wěn)定性和磁矩，在自旋電子器件上有很大的應用前景。基于第一性原理計算，我們系統(tǒng)地研究了鑭系金

8、屬Eu和B摻雜的環(huán)辛四烯基(COTB)形成的三明治分子線的結構以及電磁性質，并進一步研究了半導體Ge襯底對分子線電磁性質的影響。計算表明，一方面，COT配體中B摻雜能夠大大提高分子線的結構穩(wěn)定性和自旋穩(wěn)定性;另一方面，配體中B摻雜能顯著地調節(jié)分子線的電子性質:一維[EuCOTB]∞和[Eu-COTB-Eu-COT]∞分別為金屬和半金屬材料。半導體襯底對[EuCOTB]∞和[Eu-COTB-Eu-COT]∞分子線磁性質的影響較小，支撐在H