有机分子器件电输运性质的理论研究

论文摘要

利用单分子来构建具有各种特殊功能的电子器件已经成为当今微电子学领域的前沿研究课题之一。近年来,对单分子电学特性的测量和对单分子器件的研究已经成为分子电子学研究的重要内容,其研究工作具有重要的科学价值和广阔的应用前景。本文的工作是利用密度泛函理论,结合发展了的格林函数方法来研究有机分子器件的电输运性质。我们选择有机分子作为研究对象,由金来作为金属电极。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来模拟电极与自由分子相连,有机分子处在两金原子团簇之间,形成扩展分子。利用三个金原子组成的团簇可以很好的模拟了分子和金（111）面的相互作用。分子与金表面的相互作用是通过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。目前,分子电子学领域研究较多的是以苯环为基本结构单元的芳香族有机化合物,因为芳香族化合物含有能够在分子中自由移动的π电子。含有氮原子的杂环分子有着与苯环类似的自由π电子,因此也是分子器件的较好选择,但目前对杂环分子研究尚少。同时,在终端原子的选取上,研究最多的是利用硫原子与金属电极相连,很少选用其它原子。我们研究了含有两个氮原子的六元杂环系列分子2,5-哒嗪二硫酚,2,5-吡嗪二硫酚和2,5-嘧啶二硫酚的电输运性质。并讨论了以氧族元素不同原子作为终端原子对杂环分子吡啶的电子输运特性的影响。计算结果表明,不同的杂环分子具有不同的电导特性,2,5-哒嗪二硫酚与2,5-吡嗪二硫酚具有相似的I-V曲线,前者具有更好的电学特性,而2,5-嘧啶二硫酚在外加电压较低时电导值比较小。对于吡啶分子,选取硒原子作为终端原子时,其导电特性优于分别以氧原子和硫原子作为终端原子的情况,当外加电压为2.0V时,吡啶分子分别以氧原子、硫原子和硒原子作为终端原子组成的扩展分子的电导之比为1.0:4.3: 5.0。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 综述
• 1.1 分子电子学产生和发展
• 1.2 分子电子学的研究现状
• 1.3 本文的工作
• 第二章 密度泛函理论和自恰计算中基函数的选择
• 2.1 量子化学的发展
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Thomas-Fermi 模型
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.3 Kohn-Sham 方程
• 2.2.4 局域密度近似
• 2.3 分子轨道的展开
• 2.4 实际计算中基函数的选择
• 2.4.1 Slater函数（STO）
• 2.4.2 Gauss函数（GTO）
• 2.4.3 Contracted Gauss Functions（CGTO）
• 第三章 分子器件的伏安特性
• 3.1 分子器件的电流与电导
• 3.2 弹性散射格林函数方法
• 第四章 六元杂环分子电输运特性的研究
• 4.1 研究对象和计算步骤
• 4.2 结果讨论
• 4.2.1 杂环分子
• 4.2.2 终端原子
• 4.3 小结
• 第五章 不同取向的1,8-辛二硫醇分子的伏安特性研究
• 5.1 研究对象和计算步骤
• 5.2 计算结果与讨论
• 5.3 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成的论文
• 致谢