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双分子器件电输运性质研究

张丽霞  
【摘要】:近年来,随着纳米科学的快速发展,分子器件被广泛研究,实验技术和计算理论在探究分子器件的输运机制上均取得了可喜的成绩。研究发现,影响分子结性质的因素有很多,如有机分子结构,分子与电极接触构型,外加环境因素(如外加门电场、光照、磁场、氢键等)等。现阶段大多数研究者致力于单分子器件电输运性质的研究,往往忽略分子间相互作用对分子结的形成和电输运性质的影响。为了形成稳定的分子器件,研究人员一般选择双侧末端带有巯基(-SH)基团的有机分子进行研究,认为这种分子能够分别与两个电极形成稳定的化学接触,构成稳定的单分子结;而单侧带有-SH的有机分子,只能一端与电极形成化学接触,另一端构成物理接触,传统观点认为这种类型的分子结是不稳定的,并且电输运能力相对较弱。近期有实验对单侧含有-SH的OPE分子进行研究,测量结果表明该类分子构成的分子结仍然能够探测到明显的电导统计峰,分析认为这是源于有机分子之间存在着相互吸引的π-π堆积作用,使两个OPE分子耦合在一起,构成双分子结。双分子结的出现为分子电子学的研究提供了一个新的研究方向。 本文基于以上研究,利用杂化密度泛函理论,结合弹性格林函数方法,对侧基、电极距离、面面间距、侧移长度等因素对双分子结电输运性质影响机制进行了详细的理论探究,并将理论结果同实验结果进行比较,取得了较好的比对结果,从而解释了双分子器件认识中的一些疑问和误区,并为双分子器件的应用提供了全新的设想。具体工作如下: 一、基于Wu和Martín等人的研究,我们选择含有三个苯环的OPE分子构成的双分子结进行理论探究。我们分别选择未被取代、被氧甲基(-OCH3)取代、被叔丁基(-C(CH3)3)取代的OPE分子进行研究。研究结果表明对于同一双分子结构型,被氧甲基取代OPE分子构成的双分子结电输运性质明显好于未被取代时的双分子结,而被叔丁基取代的双分子结较未被取代双分子结电输运能力要差。我们认为这是因为氧甲基是吸电子基团,能够促进分子间的π-π相互作用,而叔丁基是供电子基团,会削弱分子间的π-π相互作用。π-π相互作用的差异导致三种分子结电输运能力的差别。另外我们分别改变OPE分子间的面间距、电极距离和侧移长度,深层次探究影响双分子器件电输运能力的内部机理,发现分子结的平台电导随着面间距和电极距离的增大而减小。我们推断这是因为面间距增大,或者交叠距离变短,导致分子间的π-π相互作用减弱,使电子在分子间的隧穿几率变小。OPE分子适当错移,π-π相互作用增大,电导变大。鉴于以上结果我们得出如下结论:分子间π-π相互作用是影响双分子器件电输运能力主要因素。 二、为了进一步探究侧基对双分子结电输运性质的影响,我们对带有其他侧基的双分子结也进行了理论研究。我们首先基于苯的二聚体模型设计了两种OPE分子二聚体构型,一种对应于苯环面面对应的情况,称为PFF构型,另一种对应苯环有错移的情况,称之为OSFF构型。计算结果表明第一种构型的能量高于第二种构型,后者相对稳定,π-π相互作用较大,从而导致OSFF构型的电导大于PFF构型。处于以上两种构型的OPE分子分别被多个取代基分别取代,计算结果符合以上论证。除此之外,我们发现当分子带有强吸电子侧基,或者侧基带有离域电子时,分子间的π-π相互作用增强,电输运性质增强,从而探究得到侧基影响分子结的内部机制。根据以上研究,我们提出了一种通过调节温度,从而改变双分子结构型,调节分子器件电输运能力,进而达到分子开关的效果。 本文主要分为六章组成,第一章为综述,简要介绍一下分子电子学的研究意义,并对其在试验和理论上的基础建设进行了简要的陈述,着重介绍了双分子器件的研究现状和面临的挑战。第二章主要介绍量子化学的理论基础,第三章介绍弹性格林函数理论,第四章和第五章介绍硕士期间完成的工作,主要对双分子器件电输运性质影响因素进行探究,包括侧基,面面间距,电极距离,侧移长度,二聚体构型等,并研究了器件的开关效应。第六章是对本论文进行了一个简要的总结。


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