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分子尺度器件中的电子输运机理研究

任昀  
【摘要】: 本文将密度泛函理论和非平衡格林函数方法相结合,系统地研究了分子尺度体系如有机分子、碳纳米管、石墨烯纳米带的电子结构和输运性质。着重研究了分子长度效应、形变效应、自旋极化效应、对称性效应、缺陷效应、侧基团效应和分子间相互作用等效应对电子输运性质的影响,获得了一些诸如多重负微分电阻效应和双机制分子开关等有意义的研究成果。 研究了不同长度的PPE分子(8nm)连接于两金电极的分子结的电学输运行为。计算结果表明,分子长度对分子结导电性能有着重要的影响。当分子结长度低于6 nm时,长度效应不明显,尤其在正偏压区域。同时,我们还能观察到物理机制相同的双重负微分电阻效应。然而,对于更长的PPE分子结电流很小,且在低偏压时没有负微分电阻效应出现。由此,我们可通过改变中间分子长度来实现对负微分电阻效应的调制。 研究了力学形变对碳纳米管器件电子输运性质的影响。其中着重考虑了先发生径向形变后施行轴向形变的复合形变行为。研究结果表明,单纯的径向形变对电子输运有一定影响,相应的带隙会发生变化,在小范围内电学性质没有发生根本性变化。但是,相同程度的复合形变则能诱导其发生半导体-金属或金属-半导体性质的跃变。经分析,我们认为这种电学跃变行为是由复合形变诱导的对称性破缺和其电子结构改变所导致的。它在将来的力学传感器、分子开关方面有着较好的应用前景。 研究了Zigzag石墨烯纳米带器件的自旋相关电子输运性质,并探讨了对称性和缺陷对其电子输运的影响。计算结果表明,与以前报道的不考虑自旋的金属性行为情形不同,考虑自旋后的石墨烯纳米带是半导体,与最近的实验观测结果是一致的。计算结果也表明,对称性对ZGNRs自旋相关输运起着决定性的作用,而缺陷的影响则是有限的。同时,在对称型相关器件中,我们还观察到了负微分电阻现象,而这与分子轨道局域程度有关。 研究了一种由碳纳米管、OPE分子和Au(111)电极组成的复合分子器件的电子输运性质。计算表明,通过调制碳纳米管与Au间的接触距离能实现分子开关行为。在一定范围内,接触距离越大,OPE及其侧基团对电子输运的影响越大。同时,我们还观察到一峰谷比很大的负微分电阻现象。我们认为它与偏压窗内部分前线分子轨道的扩展程度有关。 结合分子力学和第一性原理方法研究了受力形变下的扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs)及其双形变AGNRs器件的电学输运性质。结果表明,力学形变对不同类型AGNRs影响不同。同时,我们通过机械调控这种双形变AGNRs器件间距离能实现分子开关。这表明,分子间相互作用对其电子输运有着显著的影响。


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