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《山东师范大学》 2008年
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苯胺类分子器件电学特性的理论研究

宋秀能  
【摘要】: 单分子科学的产生和发展推动了分子电子学的飞速发展。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纳电子学领域的前沿研究课题之一。近年来,单分子科学在理论和实验上都有了很大的发展,而对单分子器件的研究和对其电学特性的测量已经成为分子电子学研究的重要内容。本文研究了一类分子器件结构与性质的关系以及影响分子器件性质的相关因素,讨论了分子长度及分子构造对分子器件电子输运性质的影响。 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,因为苯环结构的分子中具有能够在分子中自由移动的π电子。同时在终端原子的选取上,研究较多的是利用硫醇或者异氰基或者氰异基与金属电极相连,形成分子结。然而,当终端基团采用氨基与金属电极相连时,Latha Venkataraman等人发现在溶液中通过金的点接触断裂法形成的分子结会呈现出更可靠和更重复的电导值,这样就减少了电导值的变化,从而能确定某特定分子结中电导的平均值,以便人们更好地研究分子特性对分子结电导的影响。 分子的电子结构直接决定着分子的电学性质。当分子与电极相连时,分子与金属表面的相互作用是通过分子的分子轨道和金属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,形成新的分子轨道。在这些分子轨道中,部分轨道扩展于金属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。因此,分子器件的电输运性质与分子的电子结构以及分子与电极的相互作用密切相关。 我们在第一性原理的基础上,利用弹性散射格林函数方法和密度泛函理论,对终端基团为氨基苯胺类分子的电子输运特性进行了理论研究。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,有机分子处于两金原子团簇中间,形成了金属原子团簇-有机分子-金属原子团簇三部分构成的扩展分子体系。论文主要研究了三类终端基团为氨基苯胺类分子结的电子输运特性。计算结果表明,对于一系列含有较少苯环的分子1,4-diaminobenzene (C6H8N2), 4,4’-diaminobiphenyl (C12H12N2), 4,4”-diamino-p-terphenyl (C18H16N2),在非共振散射区域,分子结的电导随分子长度呈现指数衰减关系,且衰减因子β值为1.88/phenyl。对苯环上有不同取代物的联苯分子,4,4’-diaminobiphenyl (C12H12N2),4,4’-diamino-2-methyl-biphenyl(C13H14N2),4,4’- diaminooctafluorobiphenyl(C12H4N2F4),,4’diamino-2,5,2’,5’tetrachlorobiphenyl(C12H8N2Cl4),来说,联苯分子中的两个苯环之间存在一个扭转角,且该扭转角大小与苯环上氢原子的取代物有关。该系列分子结的电导随着两个苯环之间扭转角的增加而减少,并且呈现出一个余弦平方的关系。理论结算结果和实验结果符合得较好。 同时我们选取含有不同取代物的对苯二胺类分子tetrafluoro-1,4-diaminobenzene (C6H4N2F4),2-fluoro-1,4-diaminobenzene (C6H7N2F),2-chloro-1,4-diaminobenzene (C6H7N2Cl),2-bromo-1,4-diaminobenzene (C6H7N2Br),1,4-diaminobenzene (C6H8N2),2,5-dimethyl-1,4-diaminobenzene (C6H12N2),2-methoxy-1,4-diaminobenzene (C7H10N2O)作为研究对象,计算结果表明该系列分子结的电导与电离能的大小有关,并且随着电离能的增大而减少,理论计算得到的数据与实验得出的结论符合的较好。 本论文共包括七章内容:其中第一章是综述部分,主要从实验和理论两个角度综合介绍了分子电子学的当前发展情况;第二章介绍了密度泛函理论,以及我们在应用密度泛函理论时基函数的选取问题;第三章则对本工作中研究分子结的伏安特性所用的理论方法—弹性散射格林函数方法进行了详细的推导;第四章、第五章及第六章分别介绍了本工作的计算过程和研究结果;第七章对我们的工作进行了总结。
【学位授予单位】:山东师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TN495

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