有机分子器件的电极距离效应与电输运机理研究
随着单分子操控技术的迅速提高,实验上测量单分子所得的结果越来越稳定,不同的实验组采用不同的实验技术对同一种分子进行测量时,其测量结果一般符合得很好。研究发现分子器件具有很多潜在应用价值的功能特性,如分子开关、分子整流器、分子场效应管、分子存储器等。为了理解分子器件的电输运机理,人们发展了各种理论方法模拟分子器件的电输运性质,并在理解分子器件的功能特性等方面已获得了很大成功。<br>  最新实验研究发现以饱和碳链为主体结构、两端以硫醇基为末端基团的二硫醇分子与金电极构建的分子器件,当电极拉力为0.8±0.3 nN时,该类分子均表...
随着单分子操控技术的迅速提高,实验上测量单分子所得的结果越来越稳定,不同的实验组采用不同的实验技术对同一种分子进行测量时,其测量结果一般符合得很好。研究发现分子器件具有很多潜在应用价值的功能特性,如分子开关、分子整流器、分子场效应管、分子存储器等。为了理解分子器件的电输运机理,人们发展了各种理论方法模拟分子器件的电输运性质,并在理解分子器件的功能特性等方面已获得了很大成功。
  最新实验研究发现以饱和碳链为主体结构、两端以硫醇基为末端基团的二硫醇分子与金电极构建的分子器件,当电极拉力为0.8±0.3 nN时,该类分子均表现出低电导状态。为了理解该类分子这一独特的电输运性质,基于杂化的密度泛函理论,我们计算了1,4-丁二硫醇分子体系在不同电极构型下的拉伸与压缩演变过程。结果显示,分子末端S原子从Au(111)面空位上断裂需要约1.75 nN的拉力;若末端S原子与电极表面上的孤立Au原子相连,则仅需1.0 nN的力分子体系就能断裂,且有孤立Au原子被拉出。两种结果不仅都与实验测量值相符,而且表明拉出Au原子可以小于打断Au-Au键的1.5 nN作用力。我们进一步采用弹性散射格林函数法计算了该分子结的电导。发现当分子结受到0.7~0.8 nN的拉力时,体系电导出现极小值。这一结论与实验测量结果完全相符。这一结果是由于分子末端的 S原子跟金电极的耦合强度在0.7~0.8 nN的拉力作用下变得非常弱导致的。
  我们进一步研究发现,已有的弹性散射格林函数法和非平衡格林函数法虽能很好的反映功能分子体系的电输运性质,但对于弱耦合体系,在低偏压下仍然存在一定困难,如:分子电导随分子长度的增加而指数衰减的特征,分子拉伸过程中的电导平台特征。基于从头算得到的分子有效势场,我们建立了一维透射与三维修正相结合的近似方法(OTCTCA),该方法认为功能分子为电子输运提供了三维有效势场。电子在偏压作用下由一侧电极注入后经过分子有效势场的散射与衍射,最终以一定的透射概率注入另一侧电极。其中电子的透射概率通过数值求解一维Schr?dinger方程并进行三维修正后统计平均得到。
  应用OTCTCA方法,首先研究了二氨基烷烃系列分子的电导随分子长度的衰减特征。结果显示,低偏压下分子体系的电导满足指数衰减关系,其中衰减因子为0.90±0.05,这一结果明显比我们用非平衡格林函数方法所得结果更接近于实验测量值。基于OTCTCA方法我们发现非共振输运的透射概率主要受如下几方面因素的影响:(a)分子体系中包含的势阱、势垒的数目;(b)势垒的宽度及高度;(c)入射电子的能量。因此分子中的每一重复单元都可看作重复的势阱和势垒,从而几乎等概率的减小体系中电子的透射概率,从而导致了分子体系的电导随长度的指数衰减规律。
  利用OTCTCA方法研究饱和碳链拉伸过程中的电导平台及4,4'-二吡啶分子拉伸过程中的双电导平台现象发现,只要分子与电极正常连接,分子不管受拉力还是压力作用,在分子骨架附近都会存在一条没有势垒阻隔的连贯的势阱通道。只要势阱通道形状不发生明显变化,电子的非共振透射概率不会因为通道长度的变化而产生明显变化。因此,低偏压分子电导出现平台特征。4,4'-二吡啶分子体系的双电导平台是由于分子末端的N原子脱离金表面时极易吸附到表面孤立Au原子上导致的。
  本文由六章内容组成:第一章对分子电子学的实验和理论现状进行了简要综述介绍;第二章介绍了本文研究所用基本理论方法,包括初步发展的计算非共振输运的 OTCTCA方法、第三章讨论了1,4-丁二硫醇分子的拉伸演化过程以及体系在0.7~0.8nN左右的电极拉力作用下产生低电导的原因。第四章基于OTCTCA方法计算并分析了二氨基烷烃系列分子的电导随分子长度的指数衰减特征及其内在机理。第五章研究了饱和碳链以及4,4'-二吡啶分子结在拉伸过程中电导平台产生的根源。第六章对全文工作进行了总结与展望。
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作者: 刘然
学科专业: 原子与分子物理
授予学位: 硕士
学位授予单位: 山东师范大学
导师姓名: 李宗良
学位年度: 2016
语 种: chi
分类号: O494
在线出版日期: 2017年3月27日