有機功能分子器件電子輸運性質的第一性原理研究.pdf

1、本文針對具有重要理論意義和應用前景的有機單分子器件，采用基于第一性原理出發(fā)的電子結構計算和非平衡格林函數(shù)輸運理論，系統(tǒng)地研究了分子體系中的電子輸運性質。著重研究了分子間的相互作用、側基團效應、配位原子、結構扭轉、以及原子摻雜和門壓等對電子輸運性質的影響，得到了一些有意義的研究成果，比如：在分子器件中觀測到了負微分電阻現(xiàn)象，特別是多重負微分電阻現(xiàn)象，并給出了相應的解釋機理；探討了調制分子器件中的開關比問題；以及采用化學和物理方法調制分子器

2、件的電學功能等。 我們研究了兩個1，4硫苯分子連接在兩個金電極之間組成的雙分子器件的電子輸運行為，計算結果表明，分子間的相互作用對體系的導電性質具有重要影響。對于雙分子體系，分子之間存在兩種類型的相互作用，一種是分子與分子的直接相互作用，另一種是通過電極發(fā)生的分子間的間接相互作用，我們的研究表明，分子間的直接相互作用在分子器件的電子輸運過程中起主要作用；通過改變兩個分子苯環(huán)面的相對二面角度，即改變兩個分子間的相互作用強度，可以調

3、控分子器件的電子輸運性質。 本文研究了雙OPE分子結的電子輸運性質，通過計算研究發(fā)現(xiàn)，分子間的相互作用會導致前線分子軌道的分裂，并能為電子輸運提供新的導電通道。特別是，當分子間存在強的相互作用時，還能導致負微分電阻現(xiàn)象的出現(xiàn)，我們認為這一現(xiàn)象歸因于分子間的相互作用引起的軌道分裂以及不同偏壓下電極與分子間的不同耦合強度。 研究了配位原子和結構變化對porphyrin分子器件電子輸運性質影響，我們的研究結果表明，Zn原子配位

4、能夠使分子與電極之間的耦合增強，并增強分子最低非占據軌道的擴展性，從而使分子器件的輸運性質得到增強：而結構扭轉則產生相反的效果，它能減弱分子與電極的耦合以及分子的最低非占據軌道的擴展性，并使分子器件的電子輸運性質減弱。 研究了含電子受體和給體基團的porphyrin分子結的電子輸運性質，結果表明，通過側基團的調制可以改變分子的電學性質。特別重要的是，我們發(fā)現(xiàn)在porphyrin分子器件中加側基團和不加側基團都能在較高偏壓下觀測到

5、負微分電阻現(xiàn)象；而且對于加電子給體的分子結，在低偏壓下我們還能觀測到另外一個負微分電阻現(xiàn)象，即出現(xiàn)了兩重負微分電阻效應。分析表明，這兩種負微分電阻效應具有不同的形成機理：前一個負微分電阻是由于電極向分子的電荷轉移隨偏壓發(fā)生變化引起分子與電極之間的耦合強度改變而產生的；后一個負微分電阻效應則是由于分子軌道相對于偏壓窗口發(fā)生偏離共振所導致。 研究了C60，C59N和C59B三個分子體系的電子輸運性質，著重討論了門壓效應對分子器件電子