单分子电子输运性质的第一性原理研究

论文摘要

本文在回顾、分析单分子电子输运性质实验和理论研究进展的基础上,详细介绍了目前国际上主要使用的,结合非平衡格林函数（NEGF）和密度泛函理论（DFT）的第一性原理模拟方法及其软件实现;并利用基于该方法的模拟软件包TranSIESTA,对Au/1,4-diaminoacenes/Au、Al/TaSi3/Al和单壁碳纳米管及其吸附小分子系统的电子输运性质进行了系统的研究,获得如下结论:（1）、对1,4对苯二氨分子夹在Au（111）-（3×3）的电极之间构成的结而言,随分子-电极距离增加,系统的平衡电导呈现下降趋势,但在1.4（?）到1.9（?）之间,平衡电导曲线中近乎出现一个平台,这表明:1,4对苯二氨这种分子的平衡电导对分子-电极之间的距离并不十分敏感。加上偏压后,在0V到1V范围内,由于偏压的线性增加与其引起的透射谱移动幅度增加的竞争,造成系统电流-电压的非线性特性。该系统的输运特性还受到分子苯环数目和氨基取代位置的影响。对位取代的分子,随苯环数目的增加,分子的平衡态透射谱在费米能级位置出现了较高、较宽的透射峰,这意味着其小偏压下的导电能力将逐步增强。而非对位取代的分子,随苯环数目增加,原本在费米能级位置出现的透射峰将逐步远离费米能级,这意味着其小偏压下的导电能力将逐步减弱。这些计算工作部分地解释了最近的实验结论,为进一步的实验研究奠定了基础。（2）、对（4,4）单壁碳纳米管及其吸附水或氧气分子的系统而言,在0V到2V的偏压下,系统对电压的增加呈现两种不同增加速率的电流响应,其中电压小于1.1V时电流增加速率较大;而当偏压大于1.1V后,由于两端的碳纳米管电极化学势之差变大,导致较多的电极态进入中心散射区,破化了系统原有的对称性,增强了电子散射,故而电流增加速率变缓。通过模拟计算还表明:吸附的分子提供了双重作用,一方面它们的电子态会破坏碳纳米管势场的平移对称性,从而降低系统的透射能力;而另一方面,吸附分子提供的能级,有利于电极中的电子隧穿散射区;只当偏压窗口包含吸附分子所贡献的透射能力时,这种吸附的影响才会反映在电压-电流特性中。故而,（4,4）碳纳米管吸附水分子时,系统的电压-电流与未吸附系统几乎相同,只有在偏压大于1.8V之后,吸附系统比未吸附系统的电流略有增加:而（4,4）碳纳米管吸附氧分子时,系统的电压-电流与未吸附系统相比一直都稍低,只当偏压大于1.7V之后,吸附系统比未吸附系统的电流略有增加。（3）、对TaSi3团簇夹在Al（111）-（3×3）电极之间构成的结而言,随分子-电极距离增加,系统的平衡电导呈现强烈的振荡变化。而这种振荡来自于重整化分子能级8态和9态随距离的变化对费米能级处透射谱的交替控制。团簇与电极的相对位置不同,平衡电导也会产生相应的变化,其中团簇绕x轴旋转50度时,系统的平衡电导最小,约为1.1G0,其它转角下平衡电导均在2.2G0左右变化。随门电压的增加,平衡电导在门电压0.6V时最小,约为1.95G0,其它门电压下平衡电导均在2.2G0左右变化。加上偏压后,系统的电流-电压响应在-1.0V到1.0V内呈现出非对称的整流特性,并且在0.3V到0.4V出现负微分电阻现象。表明该团簇在分子尺度的逻辑元件应用方面存在较大的潜在价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 分子电子器件的产生背景及实验进展
• 1.2 分子电子器件的第一性原理研究进展
• 1.3 本文的主要研究内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 理论基础、建模及计算方法
• 2.1 介观系统和弹道输运
• 2.2 单能级模型
• 2.3 格林函数理论
• 2.3.1 平衡态格林函数
• 2.3.2 非平衡格林函数
• 2.4 分子导体中的电流公式
• 2.5 密度泛函理论简介
• 2.6 分子导体输运性质的第一性原理计算方案
• 2.7 相关模拟软件简介
• 参考文献
• 第三章 氨基取代的饱和芳香环系列分子的电子输运性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 模型及计算细节
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 透射谱分析
• 3.3.2 分子-电极距离的影响
• 3.3.3 导线取向的影响
• 3.3.4 分子-电极接触位置的影响
• 3.3.5 电极表面多余金原子的影响
• 3.3.6 1,4-对苯二氨分子的电压-电流特性
• 3.3.7 氨基取代不同分子及同一分子不同取代位置的影响
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 分子吸附对单壁碳纳米管电子输运性质的影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 模型及计算细节
• 4.3 结果及分析
• 4.3.1（4,4）单壁碳纳米管的电压-电流特性分析
• 4.3.2 吸附水分子的（4,4）单壁碳纳米管的电压-电流特性分析
• 4.3.3 吸附氧分子的（4,4）单壁碳纳米管的电压-电流特性分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 钽硅团簇的电子输运性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 模型及计算细节
• 5.3 结果及分析
• 5.3.1 透射谱分析
• 5.3.2 团簇-电极距离的影响
• 5.3.3 团簇-电极接触方位的影响
• 5.3.4 门电压的作用
• 5.3.5 电流-电压特性
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究方法与启示
• 6.2 展望
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢