双链分子器件电荷输运性质研究

论文摘要

近年来,随着纳米技术和分子合成技术的发展,分子电子学逐渐成为人们十分感兴趣的一个研究领域,也成为纳米电子学的重要研究方向。相比于无机材料,有机材料有一些非常突出的优势。例如:密度小、质量轻、不易氧化、易于加工成型等等。有机半导体还有丰富的电学、光学和磁学特性,并且已经在有机发光器件OLED（Organic Light Emitting Diodes）、显示器等方面取得了很大的应用。进入20世纪80年代,相关实验技术,如Langmuir-Blodgett（LB）膜、分子自组织生长（SAM）的化学合成技术、有机分子束外延生长（OMBE）和扫描隧道电子显微镜（STM）等测量技术的共同应用使得人们测量通过单个分子或分子簇的电流成为可能。同时,实验中发现的分子器件中负微分电阻、导电开关、整流现象等一系列非线性电压电流特性也引起了实验和理论工作者的浓厚兴趣,并预示了分子器件在未来实际应用中的诱人前景。因此,如何认识并利用分子的电学特性来制备分子器件成为分子电子学的重要研究领域之一。通过对具体实验装置的分析我们可以看出,实际情况中测量的体系的Ⅰ—Ⅴ曲线并不只是在单一分子的环境下得到的,此时连接于两电极之间的并不能认为只是单一的分子链,链与链之间不可避免的存在相互作用,链间耦合在电荷传输过程中究竟会扮演什么样的角色目前还不是很清楚。为此,深入全面探讨链间耦合的存在形式以及其对于有机分子器件输运特性的影响,这对于进一步理解有机分子器件的物理性质以及为以后的实验提供一些理论参考具有重要的科学意义。本文基于目前本课题组对于有机分子器件的理论研究基础,进一步考虑双链系统中计入链间相互作用,对链间耦合在有机分子器件输运中产生的影响做了一些理论探讨。我们针对电极—有机分子—电极的三明治器件结构,采用紧束缚的SSH（Su-Schrieffer-Heeger）模型加格林函数（Green’s Function）的方法,在以前对于单链有机分子器件输运性质的理论研究基础上,考虑到有机分子和电极四种不同的连接方式,建立起双链分子器件输运模型。我们计算了这种双链有机分子器件的电荷输运性质,并讨论了有关因素对其的影响,借此进一步理解链间耦合的存在对于器件输运性质的影响。本文第一部分工作主要研究了分子均匀二聚化结构情况下的输运性质。我们分别考察了和电极连接方式、耦合区域、链间耦合强度以及有机分子和电极的界面效应对器件输运性质的影响。结果表明,对于四种不同的连接方式,有机分子层与电极连接越好,系统的开启电流也相应的越大。耦合区域的变大会降低器件的起始偏压。链间耦合的存在会导致Ⅰ—Ⅴ曲线中出现新的台阶,并且降低系统的开启电压,链间耦合越大系统的开启电压越低并且在第一个台阶上停留的范围越大。良好的分子电极界面接触有利于电荷的输运。在对于均匀分予结构输运性质研究的基础上,第二部分工作是对中间聚合物分子链在带电态下的输运性质的探讨。我们分别研究了有机分子层处于单/双电子带电态下的输运行为,并进一步考察了带电态时的链长效应。研究表明,相比中性态时均匀分子结构,带电态将会破坏分子中格点的均匀二聚化结构,并且减小体系中透射率的带隙。同时,不同链长下带电态的研究表明,对于透射率禁带附近的透射峰,链长较短时有利于电荷的输运,而长链下由于波函数的定域性,不利于电荷的透射。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 有机共轭聚合物
• §1.2 有机分子器件
• §1.2.1 有机分子器件简介
• §1.2.2 有机分子器件中的链间耦合作用
• §1.3 拟展开的研究内容
• 参考文献:
• 第二章 双链分子器件输运的模型和理论
• §2.1 双链分子器件的输运模型
• §2.2 格林函数方法与输运理论
• §2.2.1 平衡格林函数方法简介
• §2.2.2 Landauer-Büttiker公式与电流
• 参考文献
• 第三章 双链分子器件电荷输运性质
• §3.1 均匀分子结构器件的输运性质
• §3.1.1 电极连接方式对分子器件输运性质的影响
• §3.1.2 耦合区域对分子器件输运性质的影响
• §3.1.3 链间耦合强度对分子器件输运性质的影响
• §3.1.4 有机分子和电极界面耦合强度大小的影响
• §3.1.5 小结
• §3.2 分子带电态器件的输运性质
• §3.2.1 单/双电子带电态分子器件的输运性质
• §3.2.2 链长对带电态输运性质的影响
• §3.2.3 小结
• 参考文献:
• 第四章 总结与展望
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表