一元团簇与二元团簇电子输运性质的第一性原理研究

论文摘要

本论文采用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的第一性原理计算方法,系统地研究了硅团簇、铝团簇以及铝硅二元团簇的电子输运性质,重点探讨了团簇与电极之间的接触距离、门电压等对团簇输运性质的影响。第一章首先概述了分子电子学与纳米器件的发展概况以及人们探索分子导体的主要理论方法和实验方法,然后阐明了本论文的主要内容和意义。第二章是理论基础和计算方法部分。在介绍什么是第一性原理计算的基础上,详细介绍了第一性原理方法的密度泛函理论方法的理论基础和实际应用。最后详细地介绍了人们是怎样将密度泛函理论和非平衡格林函数方法结合起来,进而进行分子导体输运性质的第一性原理计算及所采用的计算程序。第三章采用非平衡格林函数方法系统地探讨了团簇与电极之间的距离变化和门电压的改变对Al4团簇输运性质的影响,我们发现:体系平衡电导随电极距离的增大并不是单调变化,而是先增大,后减小;随着门电压变化,体系的平衡电导呈现出振荡行为,且团簇与电极之间的距离对其平衡电导的振荡特性有很大的影响。当接触距离固定时,团簇Al4体系的导电率随着门电压变化出现高电导态和低电导态,表现出一种分子开关行为。通过分析各种情况下体系费米能级处的总态密度（DOS）,我们发现系统的平衡电导的变化来源于费米能级处态密度的变化。电荷转移分析显示:无论是改变团簇电极间的距离,还是改变门电压,电荷转移都不是平衡电导变化的主要因素。第四章我们运用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的方法的第一性原理计算方法系统地探讨了接触距离对Al2、Si2、Al4和AlSi团簇输运性质的影响。结果发现团簇的输运性质受团簇的特殊纳米结构和团簇与电极之间的接触距离双重影响。对于平衡输运性质,在较大的接触距离下,具有相似结构的团簇表现出相似的透射谱。通过计算体系的非平衡输运性质,我们发现所有的团簇在低偏压下表现出金属性而在高偏压下表现出非线性行为。对于Al2和AlSi团簇在特定的距离下,一定的偏压范围内表现出明显的负微分电阻现象（NDR）。上述结果表明:分子导体和电极的接触距离的精确确定和具体的分子导体的电子结构的讨论对正确地预言或考察分子导体的输运性质具有极其重要的意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 分子电子学与纳米器件的发展
• 1.1.1 分子电子学
• 1.1.2 纳米器件
• 1.2 分子导体的理论和实验方法
• 1.2.1 理论方法
• 1.2.2 实验方法
• 1.3 本论文的内容和意义
• 2 理论计算方法
• 2.1 第一性原理计算是什么
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 理论基础
• 2.3 自洽求解一般过程
• 2.4 Landauer-Buttiker公式
• 2.5 分子导体电流的第一性原理计算
• 2.5.1 分子导体中的电流公式
• 2.5.2 两个重要方程
• 2.5.3 第一性原理计算方案
• 2.5.4 轨道的非正交性
• 2.6 计算程序简介及其进一步完善
• 4 团簇输运性质的第一性原理研究'>3 Al₄团簇输运性质的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法与模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 接触距离对平衡电导的影响
• 3.3.2 门电压对平衡电导的影响
• 3.3.3 电流－电压特性
• 3.4 总结
• 4 二元团簇的输运性质
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和模型
• 4.3 计算结果和讨论
• 4.3.1 团簇－电极相对间距对团簇平衡电导的影响
• 4.3.2 团簇－电极相对间距对团簇电流－电压特性的影响
• 4.4 小结
• 结语
• 1. 论文的主要内容总结
• 2. 论文的主要创新点及对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢