分子导体电子输运特性的理论研究

论文摘要

随着单分子科学的研究以及纳米技术和分子合成技术的迅速发展,使得人们测量通过单个分子或分子簇的电流成为可能,于是利用分子独特的电学性质来制备分子器件成为分子电子学的重要研究内容之一。在目前研究分子伏一安特性的理论方法中,由于分子与金属表面的相互作用能常数由半经验方法给出,从而只能得到一些定性的结果,无法在定量上解释实验结果。因此,发展一套理论方法从而在定量上研究分子的电子输运特性显得尤为重要,本文采用是基于非平衡态格林函数第一性原理计算的TranSIESTA-C程序包来研究分子导体电子输运特性。重点探讨了有机物聚苯二硫低聚物分子的输运性质、C14环团簇输运性质、混合碳链电子输运特性。本工作将有利于未来纳米电子学器件的设计。第一章介绍了分子导体的发展概况、人们探索分子导体的实验方法以及当前研究分子导体的主要理论方法,最后阐明了本论文研究的主要内容和意义。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,详细介绍了两种主要的第一性原理方法Hartree-Fork近似方法和密度泛函理论方法的理论基础和实际应用。最后详细地介绍了如何把密度泛函理论和非平衡态格林函数方法结合起来,进行分子导体输运特性的第一性原理计算及所采用的计算程序。第三章,本章节采用第一性原理非平衡格林函数方法研究预言设计具有分子开关特性分子导体器件。我们计算了聚苯二硫低聚物（[PP（2）D]）随旋转不同角度的I-V曲线,结果表明通过控制聚苯二硫低聚物（[PP（2）D]）表面旋转角度,体系具有很强分子开关效应。第四章,本章节用第一性原理非平衡格林函数方法研究聚苯二硫低聚物（[PP（n）D]）置于两个Al（100）电极之间的输运性质。计算聚苯二硫低聚物（[PP（n）D]）（n=1-6）平衡电导和I-V曲线。结果表明在这样的两极体系平衡电导同样遵循半经验指数衰减规律。当电压U从0.6V升到1.2V,负微分电阻出现。并通过不同电压下的透射谱来阐明体系I-V曲线特性。第五章,本章节用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法以及TranSIESTA-C程序包研究了C14环分子导体输运性质。计算结果发现,C14环分子导体输运性质表现为金属导体行为。通过分析体系的透射谱,发现体系是由最低占据态（LUMO）导电,体系为n型导体。研究了门电压对C14环电子输运性质的影响。加入不同正门电压平衡电导只是发生微小的变化,逐渐增加。而加入不同负门电压时平衡电导发生振荡。同时计算了C14环吸附其他原子对C14环电子输运性质的影响,吸附电子受体原子杂质,电子透射受到抑制。第六章,本章节用第一性原理非平衡格林函数方法研究了混合碳链置于两个Al（100）电极之间的输运性质。我们计算了IV族原子硅取代一维纯碳链中不同位置碳原子,以及硅取代不同长度的碳链时的输运性质,同时比较了其他非IV族原子N、P、S分别取代C7碳链中不同碳原子的输运性质。结果表明,对于混合碳链同样存在平衡电导的奇偶振荡,并且随着取代的位置不同,也会有奇偶振荡现象。硅原子取代碳原子后对体系的透射谱、不同门电压下的平衡电导及电流-电压（IV）曲线性质的影响,文中也进行了分析比较。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 导论
• 1.1 分子电子学的发展
• 1.2 分子导体的研究现状
• 1.3 论文工作的内容和意义
• 第二章 理论计算方法
• 2.1 什么是第一性原理计算
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 Thomas-Fermi 模型
• 2.2.3 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.4 Kohn-Sham 的方程
• 2.2.5 局域密度近似（LDA）
• 2.2.6 自洽求解一般过程
• 2.3 非平衡格林函数法
• 2.3.1 平衡格林函数
• 2.3.2 非平衡格林函数
• 2.3.2.1 非平衡格林函数的定义
• 2.3.3 非平衡格林函数的 Dyson 方程
• 2.3.4 Keldysh 方程
• 2.4 Landauer-Büttiker 公式
• 2.5 分子导体中的电流公式
• 2.6 两个重要方程
• 2.7 相关计算程序简介
• 第三章 分子开关设计的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 模型与计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 总结
• 第四章 聚苯二硫低聚物的电子输运特性：第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 模型与计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 平衡态输运性质
• 4.3.2 非平衡态输运性质
• 4.4 总结
• 第五章 C14 环电子输运特性的第一性原理研究
• 5.1 引言
• 5.2 模型与计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 平衡输运性质
• 5.3.2 非平衡特性I-V 曲线
• 5.3.3 门电压对C14 环电子输运性质的影响
• 5.3.4 吸附其他原子对C14 环电子输运性质的影响
• 5.4 总结
• 第六章 混合碳链的电子输运特性的第一性原理研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型与计算方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 零偏压情况
• 6.3.2 门电压对体系输运特性影响
• 6.3.3 碳硅链I-V 曲线特性
• 6.4 总结
• 第七章 论文总结与展望
• 7.1 文章主要内容总结
• 7.2 有机物聚苯二硫低聚物分子的电子输运特性
• 7.3 研究C14环分子导体输运性质
• 7.4 混合链的输运性质
• 7.5 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和待发表的论文
• 致谢