光分子開關(guān)電子輸運性質(zhì)第一性原理研究.pdf

1、近年來,隨著微電子學(xué)的不斷發(fā)展和電子器件的不斷小型化,利用單分子及分子團簇,如單壁或多壁碳納米管、有機小分子以及高分子等來構(gòu)造各種功能性電子器件已經(jīng)成為人們公認的最可能的發(fā)展趨勢,同時研究這些分子尺度元器件的電特性或光特性也逐漸發(fā)展成為了一門獨立的學(xué)科,這就是分子電子學(xué)。隨著相關(guān)試驗技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用,如LB膜、自組裝單層膜和有機分子束外延生長、掃描隧道顯微鏡、納米孔、力學(xué)可控劈裂結(jié)、電遷移、局部氧化切割碳納米管法、電極沉積、掩模蒸鍍法、

2、線上蝕刻等,使得人們設(shè)計并測量具有不同功能的分子器件成為可能。其中,分子開關(guān)的研究特別引人關(guān)注,因為它是未來邏輯和存儲電路的基本單元。分子開關(guān)的開態(tài)(高電導(dǎo))與關(guān)態(tài)(低電導(dǎo))之間可在外界觸發(fā)因素作用下進行可逆的轉(zhuǎn)化。常用的觸發(fā)因素包括電場、STM探針、氧化-還原反應(yīng)等。然而,所有這些觸發(fā)因素均不理想,因為它們?nèi)菀赘蓴_分子電路的功能,并且開關(guān)速度慢。而光則是非常理想的觸發(fā)因素,用光觸發(fā)的分子開關(guān)器件有三大優(yōu)勢:容易尋址、開關(guān)響應(yīng)速度快、容

3、易集成。
　　 在本論文的研究中,利用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法,我們將研究三種不同的光致變色分子的電子輸運性質(zhì),探討其作為分子光開關(guān)的可能性。研究內(nèi)容和主要結(jié)論有:
　　 1.15,16二腈基二氫芘(DDP/CPD)光分子開關(guān)
　　 1.1研究發(fā)現(xiàn)通過DDP的電流明顯大于通過CPD的電流,即DDP/CPD呈現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性。兩種異構(gòu)體不同的輸運特性歸固于分子有效共軛長度及HOMG-LUMO帶隙的

4、變化。
　　 1.2分子在金電極表面不同的吸附位置會對分子電導(dǎo)產(chǎn)生明顯的影響,但對開關(guān)性能的影響并不大。
　　 1.3單壁碳納米管電極的手征會對分子的電子輸運產(chǎn)生強烈影響。由于費米能級Ef處存在一個尖銳的共振透射峰,小偏壓下,通過鋸齒型分子結(jié)的電流要大于通過扶椅型分子結(jié)的電流。
　　 2.苯氧萘并萘醌(PNON)光分子開關(guān)
　　 2.1研究發(fā)現(xiàn)通過ana-PNQN的電流大于通過trans-PNQN的電流,

5、即PNQN呈現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性。
　　 2.2合適的官能團取代,會進一步提高PNQN的開關(guān)性能。
　　 2.3分子與單壁碳納米管電極的連接方式會對分子的電子輸運產(chǎn)生強烈影響,從而影響器件的工作性能。
　　 3.蒽(AT)光分子開關(guān)
　　 3.1研究發(fā)現(xiàn)通過AT單體分了的電流明顯大于通過其二聚體分子的電流,即AT呈現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性。在[-2.0,1.9eV]能量范圍內(nèi)沒有明顯的透射峰是AT二聚體分子導(dǎo)電能

6、力弱的因為。
　　 3.2由于分子-電極耦合強度隨偏壓增加而減弱,AT單體分子表現(xiàn)出顯著的負微分電阻效應(yīng),當(dāng)外加偏壓超過2.0V時,通過AT單體分子的電流發(fā)生明顯降低。
　　 3.2單壁碳納米管電極端口取代會對分子的電子輸運產(chǎn)生強烈影響,從而影響其開關(guān)性能。由于端口N原子的存在,使得費米能級Ef附近有一個較強的透射峰,此時分子開關(guān)的電子輸運機制是準共振隧穿,使得通過分子開關(guān)的電流較大；而H終端原子情形時,在Ef附近沒有任