分子器件电子输运性质理论研究

论文摘要

近年来,分子电子学是人们十分感兴趣的研究领域,是纳米电子学的重要研究方向。分子电子学是指用分子制作信息处理器件,来研究基于分子特定空间构型的电学性质。目前,分子电子学相关的基础研究正在全球范围内大规模展开,其研究具有重要的科学价值和广阔的应用前景。目前正在开展用分子器件作为开关整流器、晶体管、非线性元件、电介质、光电器件以及存储器等诸多电子学方面的研究。在理论研究方面,人们通过计算有机分子的能级变化、分子与金属电极的相互作用以及分子内静电势的改变,来研究分子器件电输运性质并模拟实验中所测量的I ? V曲线,目前理论研究方法大致可以分为两大类:半经验方法和第一性原理方法。在研究过程中,人们逐渐认识到连于两金属电极之间的有机分子,其I ? V特性主要由三个因素决定:一是分子结构,二是分子与金属表面的相互作用,三是外加电场。我们选用4,4’-二巯基联苯有机分子来构造分子结,金属电极由金来构成。为了研究电极和自由分子的相互作用,选用有限个金原子组成的金原子团簇模拟电极与自由分子相连,有机分子处于两金原子团簇中间,从而形成了扩展分子。选取金原子团簇的目的是为了模拟分子和金表面的相互作用,我们利用三个金原子组成的团簇,很好地模拟了分子和金（111）面的相互作用。扩展分子体系的计算结果显示分子带有不可忽略的净电荷。金原子团簇显示正电性,这表明硫与金之间的化学键主要是共价键,同时还存在离子键成分。分子与金表面的相互作用是通过分子的分子轨道和金原子团簇的轨道之间杂化实现的,杂化的结果使原来各部分的轨道发生耦合,形成扩展分子轨道。在这些轨道中,部分轨道扩展于金原子团和有机分子之中,正是它们为电子的输运提供了通道,而其它的轨道只局域于扩展分子的某一部分之中,它们对电子的输运基本没有贡献。费米能级位于LUMO 与HOMO之间。我们利用从头计算方法和弹性散射格林函数理论,研究两个电极之间的距离对分子几何结构和电子结构以及该分子结电输运性质的影响。计算结果表明,电极距离的不同会改变分子几何结构和电子结构,从而影响分子体系的电输运特性。扩展分子的平衡状态不是电子输运的最佳状态,适当调整两个电极之间距离可以改善分子的电输运特性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 综述
• 1.1 分子电子学的产生与发展
• 1.2 分子电子学的研究现状
• 1.3 本文的研究工作
• 第二章 密度泛函理论和自洽计算中基函数的选择
• 2.1 Hohenberg—Kohn 定理
• 2.2 Kohn—Sham 方程
• 2.3 局域密度近似
• 2.4 分子轨道的展开
• 2.5 实际计算中基函数的选择
• 2.5.1 Slater 函数（STO）
• 2.5.2 Gauss 函数（GTO）
• 2.5.3 Contracted Gauss Functions（CGTO）
• 第三章 分子电子器件伏安特性及弹性散射格林函数方法
• 3.1 自由电子气的态密度
• 3.2 分子电流与电导公式的推导
• 3.3 弹性散射格林函数方法
• 第四章 电极距离对分子器件电输运特性的影响
• 4.1 研究对象和计算步骤
• 4.2 计算结果与讨论
• 4.2.1 Au 原子团簇之间的距离对体系几何结构的影响
• 4.2.2 Au 原子团簇之间的距离对体系电子结构的影响
• 4.2.3 Au 原子团簇之间的距离对体系电输运特性的影响
• 第五章 电场对分子器件电输运特性的影响
• 5.1 计算步骤
• 5.2 计算结果与讨论
• 5.2.1 电场对分子体系几何结构的影响
• 5.2.2 电场对分子体系电子结构的影响
• 5.2.3 电场对分子体系能级的影响
• 5.3 扩展分子体系的伏—安特性
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的论文
• 致谢