基于碳基分子體系電荷輸運的量子調(diào)控機理與應(yīng)用研究.pdf

1、本文結(jié)合第一性原理的電子結(jié)構(gòu)計算、非平衡格林函數(shù)輸運理論和分子動力學(xué)方法，系統(tǒng)地研究了基于分子與分子體系電荷輸運的量子調(diào)控。著重研究了分子的構(gòu)型、氫鍵、分子間的π-π耦合、分子鏈的長度、環(huán)型分子電路中電子的相位相干性、分子與電極的耦合、碳納米管異質(zhì)結(jié)長度、斷裂碳納米管電極的粗糙斷裂面、斷裂碳納米管與分子之間的拓?fù)溥B接、分子在結(jié)中的構(gòu)型、氫化石墨烯隔離帶、齒型，椅型石墨烯條帶異質(zhì)結(jié)的寬度和連接長度、以及手性石墨烯納米條帶邊緣化學(xué)修飾等因素

2、與體系電子輸運性質(zhì)的關(guān)系，探索輸運電荷量子調(diào)控的機理與方法。觀察到強烈的負(fù)微分電阻行為和高性能的電學(xué)整流效應(yīng)。設(shè)計了高性能的分子電導(dǎo)開關(guān)、分子整流器和自旋器件等。本文中，我們對分子側(cè)鏈的阻抗效應(yīng)、DNA電學(xué)測序的可行性和功能性修飾增強石墨烯電荷輸運性能的機理與應(yīng)用等當(dāng)前分子電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題進(jìn)行了初步地討論。
　　我們研究了基于(8，0)碳納米管的金屬-雙管-金屬結(jié)的電荷輸運特性，發(fā)現(xiàn)了一些有意思的物理效應(yīng)。比如：碳納米管之間

3、的相互作用可以誘發(fā)分子軌道分裂，分裂的具體情況與碳納米管之間的相對距離和相對角度有很大的關(guān)系，軌道分裂產(chǎn)生的附加軌道提供了新的電子輸運通道致使體系電導(dǎo)有明顯增加，特別是隨著附加軌道靠近費米能，體系可表現(xiàn)出金屬行為。因此，我們認(rèn)為通過控制分子間相互作用的強度，可以使雙分子體系呈現(xiàn)出完全不同的電子輸運特性。
　　我們探討了由管徑不同的單壁碳納米管構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的電子輸運行為。第一性原理結(jié)果表明此類異質(zhì)結(jié)的電子輸運能隙與結(jié)的大小和長度等因

4、素密切相關(guān)。在某些特殊大小的異質(zhì)結(jié)中我們發(fā)現(xiàn)了微弱的負(fù)微分電阻行為，其物理機理是某些輸運通道在一定偏壓下可以被有效鎮(zhèn)壓?；诖税l(fā)現(xiàn)，我們設(shè)計了具有顯著負(fù)微分電阻效應(yīng)的雙碳納米管異質(zhì)結(jié)器件。由于兩異質(zhì)結(jié)間的π-π耦合強度決定了附加電子輸運通道的位置和導(dǎo)電能力，我們通過調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)間的耦合強度，有效控制了體系的輸運行為和負(fù)微分電阻效應(yīng)的大小。
　　運用分子動力學(xué)模擬、第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算和非平衡態(tài)格林函數(shù)電子輸運計算相結(jié)合的研究方法，

5、我們研究了最近在實驗上實現(xiàn)的以斷裂碳納米管為電極的分子結(jié)的電子輸運行為。分子動力學(xué)模擬顯示：在拉斷實驗碳中，納米管喜歡沿著手性角的方向斷裂；其斷裂面很不規(guī)則，主要部分是齒型的，椅型和懸掛碳原子也隨機地分布于斷裂面上；粗糙的斷裂面，特別是斷裂面的尖端結(jié)構(gòu)，決定了分子與碳納米管電極之間的拓?fù)溥B接：統(tǒng)計結(jié)果顯示分子喜歡以傾斜的方式通過多邊形連接方式共價地與碳納米管接合在一起。非平衡態(tài)格林函數(shù)輸運計算顯示，最概然構(gòu)型的分子結(jié)所具有的金屬性與所選

6、擇的金屬型碳納米管電極的手性無關(guān)，但其電子輸運性能對分子和碳納米管之間的連接角度有很強的依賴性。據(jù)此，我們設(shè)計了由上下移動碳納米管電極的位置進(jìn)行操作的機控分子電導(dǎo)開關(guān)。第一性原理計算表明，此類開關(guān)所需要的操作能量很小但卻有著相當(dāng)高的開關(guān)比。
　　運用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法，我們研究了電學(xué)測定DNA基對的可能性。結(jié)果表明在STM實驗中測量得到的兩束衰減率不同的電流-距離曲線，不能完全歸因于A-T、G-C基對間的氫鍵

7、數(shù)目的不同，它更多的應(yīng)歸結(jié)于DNA基對處于各種不同空間構(gòu)型時電流的統(tǒng)計表現(xiàn)。DNA基對間的堆垛結(jié)構(gòu)，對金屬/DNA/金屬結(jié)的電子輸運行為起著重要的作用，在很大程序上決定了體系電流-間距曲線的衰減因子。因此，我們認(rèn)為發(fā)展出有效的方法確保在每次測量中相同的DNA基對在金屬/DNA/金屬結(jié)中具有相同的空間構(gòu)型，是利用電子學(xué)方法標(biāo)定DNA基對的關(guān)鍵。
　　通過齒型和椅型石墨烯條帶間的化學(xué)連接，我們設(shè)計了齒型/椅型石墨烯條帶異質(zhì)結(jié)，并研究了

8、其電子輸運行為。結(jié)果表明齒型、椅型石墨烯條帶能帶間的耦合，特別是費米能附近軌道的耦合情況對體系的電子輸運行為起著決定性的作用。依據(jù)寬度的不同，此類異質(zhì)結(jié)體系既可以是金屬型的也可以是半導(dǎo)體型的。其零偏壓電導(dǎo)隨著寬度的變化發(fā)生有規(guī)律地振蕩。整流行為是此類異質(zhì)結(jié)的本征行為，整流的方向可隨條帶寬度做周期性的變化，整流比的大小主要由齒型條帶的寬度確定并可以經(jīng)由改變齒型和椅型石墨烯條帶間的連接長度進(jìn)行調(diào)控。研究結(jié)果表明，增強電子和空位透射譜的不對稱

9、性可以導(dǎo)致體系的整流行為的增強，高達(dá)104的整流率可以在半導(dǎo)體型的“T”型異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)。
　　我們研究了含氫化窄帶的石墨烯納米條帶的電磁輸運行為。我們發(fā)現(xiàn)齒型氫化石墨層條帶具有良好的隔離效應(yīng)。每條氫化隔離帶可以在體系的費米能附近引入兩個導(dǎo)電的類邊緣態(tài)，從而可以有效地增強體系的電導(dǎo)能力。體系依然是極化的，其極化電流隨著氫化帶位置的不同呈現(xiàn)出良好的振蕩行為。而椅型氫化石墨烯則可以有效改變體系的能隙，利用這種技術(shù)設(shè)計的構(gòu)型石墨烯/氫化構(gòu)

10、型石墨烯異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異的整流效應(yīng)。更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)氫化帶能有效屏蔽粗糙邊緣態(tài)對體系電導(dǎo)的影響。氫化隔離帶使含粗糙邊緣的石墨烯條帶具有理想石墨烯納米條帶一樣的電磁輸運特性。由于大量制備具有平滑邊緣的石墨烯納米條帶在當(dāng)前還是一個科技難題，我們的發(fā)現(xiàn)可為利用粗糙邊緣石墨烯條帶設(shè)計和制備高性能的電子器件提供理論支持并具指導(dǎo)意義。
　　理想齒型石墨烯納米條帶則具有磁性邊緣態(tài)而椅型石墨烯納米條帶則不具備。基于第一性原理，我們研究了介于椅型

11、與齒型之間的具(2，1)邊緣結(jié)構(gòu)的手性石墨烯納米條帶的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化問題，發(fā)現(xiàn)此類石墨烯條帶具有更加豐富的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化特性：邊緣鈍化的手性石墨烯納米條帶的能隙隨著其寬度的增加以6為周期明顯地變小，邊緣非鈍化的體系在費米能附近具有對偏壓大小很敏感的自旋極化的導(dǎo)電邊緣態(tài)，可使體系產(chǎn)生自旋相關(guān)的輸運行為和負(fù)微分電阻效應(yīng)；依據(jù)取代位置及取代位組合方式的不同，氮取代可使體系呈現(xiàn)出金屬或半導(dǎo)體特性，并且在某些型態(tài)時可能存在非邊緣形態(tài)的自旋