功能分子器件整流性能的第一原理研究.pdf

1、本文首先扼要而系統(tǒng)地闡述了基于非平衡態(tài)格林函數(shù)方法與密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法和分子器件的研究進(jìn)展，以此為基礎(chǔ)，對(duì)三并苯環(huán)分子、碳鏈和硅烷鏈體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬與理論分析。著重研究了分子與電極之間的耦合、有機(jī)分子表面的吸附、側(cè)基團(tuán)效應(yīng)、原子的取代以及分子間的相互作用對(duì)體系電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響，提出了一些構(gòu)建功能分子整流器件的設(shè)想。
　　 首次構(gòu)建了三并苯環(huán)分子連接在兩電極之間構(gòu)成的原型分子器件模型，金屬電極分別

2、選用金（鋁，鋰）材料，分子末端通過硫原子吸附到兩電極表面，研究了不同電極材料對(duì)三并苯環(huán)分子輸運(yùn)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:金電極體系具有較明顯的整流效應(yīng)，鋁電極體系的整流效應(yīng)次之，而鋰電極體系的整流效應(yīng)可以忽略。用三個(gè)硒原子取代體系中的三個(gè)硫原子后，體系的電流-電壓特性比較接近，仍然存在比較明顯的整流效應(yīng)。用氫原子取代一個(gè)硫（硒）原子以后，發(fā)現(xiàn)整流效應(yīng)比取代前明顯減弱，但硒端基的整流效應(yīng)更弱;如果在三并苯環(huán)分子表面分別吸附不同的小分子(H2、

3、H2O、NH3、CH4)后，吸附H2后體系的整流效應(yīng)減弱，而吸附其它三種小分子后體系整流效應(yīng)卻可以忽略。在三并苯環(huán)側(cè)端吸附不同的基團(tuán)時(shí)，基團(tuán)的種類和吸附的位置對(duì)分子器件的電子輸運(yùn)產(chǎn)生了明顯影響。-NH2基團(tuán)表現(xiàn)出明顯的失電子性能，但-NO2基團(tuán)的得電子性能很弱。對(duì)其它的并苯分子非對(duì)稱體系的模擬研究結(jié)果表明，其電子輸運(yùn)特性不僅與苯環(huán)的個(gè)數(shù)、苯環(huán)的相對(duì)位置有關(guān)，而且與連接分子與電極的末端原子有關(guān)。六并苯環(huán)比四（五）并苯表現(xiàn)出更明顯的整流行為

4、。
　　 研究了由六個(gè)碳原子組成的碳鏈連接在兩個(gè)半無限長(zhǎng)金電極之間組成的原型分子器件的電子輸運(yùn)性質(zhì)。當(dāng)碳鏈連接在兩個(gè)對(duì)稱的電極（與碳鏈連接的電極表面為平面）時(shí)，分子的導(dǎo)電性好，電流在整個(gè)偏壓范圍內(nèi)具有較好的對(duì)稱性;把左電極表面改成金字塔型時(shí)，負(fù)偏壓下出現(xiàn)了負(fù)微分電阻效應(yīng)，整個(gè)偏壓范圍內(nèi)出現(xiàn)了整流效應(yīng)。另外，如果進(jìn)一步在碳鏈上接入側(cè)基團(tuán)，發(fā)現(xiàn)負(fù)微分電阻現(xiàn)象又消失了，體系中的負(fù)微分電阻現(xiàn)象歸因于某些偏壓下主要透射通道（最高占據(jù)分子軌

5、道）被抑制而引起。
　　 由偶數(shù)個(gè)碳原子組成的不同長(zhǎng)度的碳鏈，左右兩端分別接吸附硝基團(tuán)的吡啶和吸附氨基團(tuán)的苯環(huán)，夾在兩金電極之間組成分子器件，計(jì)算發(fā)現(xiàn)碳鏈的長(zhǎng)度對(duì)分子器件的輸運(yùn)性質(zhì)的影響較大。如果把吡啶用硝基團(tuán)取代，體系的輸運(yùn)特性比改變前有了非常明顯的變化:不同長(zhǎng)度的體系在整個(gè)偏壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出較為相似的電流-電壓特征，比較兩種體系的輸運(yùn)性質(zhì)，認(rèn)為后者更合適作為穩(wěn)定的整流分子線。
　　 本文還研究了夾在兩金電極之間的摻雜磷