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D-σ-A有机分子器件整流特性的理论研究

郭超  
【摘要】:分子电子学具有在分子尺度构建逻辑电路的可能,是未来信息技术发展的最佳载体,分子整流器是实现分子电子线路的基本元件,且具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景,是科学家们研究的热点。但目前得到的器件存在整流比不高、性能不稳定等缺陷,需要进一步的完善。本论文利用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法,研究了D-σ-A有机分子器件的整流特性和电子输运性质,目的是探索和研究具有高整流比和性能稳定的分子器件。 首先我们介绍了分子电子学诞生背景、D-σ-A分子整流器基本原理、国内外研究进展和第一性原理研究方法。在此基础上,我们研究了D-σ-A有机分子整流器件的电子输运及整流特性,主要工作包括:利用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法,我们研究了D-σ-A有机分子器件整流特性的碳链调控的位置效应,即通过碳链修饰及其位置改变器件几何结构的对称性,分析对分子整流器整流效果和电子输运的影响。计算结果表明:整流效果并不是由器件几何结构非对称性完全决定的,而是由分子能级轨道的空间分布的非对称性所决定,增加器件区分子体系几何结构的非对称性并不是提高器件整流性能的必要条件,真正能有效提高器件整流性能的方式是选取合适的端基,并将其装配在最佳的位置上,加强分子能级轨道空间分布的非对称性。然后,我们研究了D-σ-A有机分子器件整流特性和负微分电阻碳链调控的长度效应,通过改变修饰在分子两端的碳链的长度,分析对分子整流器整流效果、负微分电阻和电子输运的影响。发现D-σ-A分子的整流效果和电子输运性质对碳链的长度有特殊的依赖关系,即显著的奇偶效应:各个模型的最大整流比(RRmax)值随碳链长度的增加呈现出振荡行为;偶数模型无负微分电阻现象,奇数模型有明显的负微分电阻现象。NDR现象是由于偏压的增大,透射峰受到抑制所致。同时,我们发现不同长度碳链修饰的D-π-A分子器件几乎没有整流现象。最后,我们研究了基于同一芯分子(D-σ-A分子)在改变端基后形成的四个不同的分子器件的电子输运特性及整流效果。研究表明:端基的改变,能明显影响分子器件的整流效果,这是因为端基能影响分子与电极的耦合程度,从而改变了分子轨道的离域性,进而影响分子的电子输运特性及整流效果。更有趣的是,由于分子轨道HOMO和LUMO随偏压极性不同的非对称移动,导致我们研究的整流器的整流方向与Aviram和Ratner分子整流器相反。


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