單分子電子輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、本文在回顧、分析單分子電子輸運(yùn)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前國際上主要使用的，結(jié)合非平衡格林函數(shù)(NEGF)和密度泛函理論(DFT)的第一性原理模擬方法及其軟件實(shí)現(xiàn)；并利用基于該方法的模擬軟件包TranSIESTA，對(duì)Au/1，4.diaminoacenes/Au、AI/TaSi3/A1和單壁碳納米管及其吸附小分子系統(tǒng)的電子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，獲得如下結(jié)論： (1)、對(duì)1，4對(duì)苯二氨分子夾在Au.(3×3)

2、的電極之間構(gòu)成的結(jié)而言，隨分子.電極距離增加，系統(tǒng)的平衡電導(dǎo)呈現(xiàn)下降趨勢，但在1.4A到1.9A之間，平衡電導(dǎo)曲線中近乎出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，這表明：1，4對(duì)苯二氨這種分子的平衡電導(dǎo)對(duì)分子.電極之間的距離并不十分敏感。加上偏壓后，在0V到lV范圍內(nèi)，由于偏壓的線性增加與其引起的透射譜移動(dòng)幅度增加的競爭，造成系統(tǒng)電流.電壓的非線性特性。該系統(tǒng)的輸運(yùn)特性還受到分子苯環(huán)數(shù)目和氨基取代位置的影響。對(duì)位取代的分子，隨苯環(huán)數(shù)目的增加，分子的平衡態(tài)透射譜在費(fèi)

3、米能級(jí)位置出現(xiàn)了較高、較寬的透射峰，這意味著其小偏壓下的導(dǎo)電能力將逐步增強(qiáng)。而非對(duì)位取代的分子，隨苯環(huán)數(shù)目增加，原本在費(fèi)米能級(jí)位置出現(xiàn)的透射峰將逐步遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，這意味著其小偏壓下的導(dǎo)電能力將逐步減弱。這些計(jì)算工作部分地解釋了最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。 (2)、對(duì)(4，4)單壁碳納米管及其吸附水或氧氣分子的系統(tǒng)而言，在0V到2V的偏壓下，系統(tǒng)對(duì)電壓的增加呈現(xiàn)兩種不同增加速率的電流響應(yīng)，其中電壓小于1.1V時(shí)電

4、流增加速率較大；而當(dāng)偏壓大于1.1V后，由于兩端的碳納米管電極化學(xué)勢之差變大，導(dǎo)致較多的電極態(tài)進(jìn)入中心散射區(qū)，破化了系統(tǒng)原有的對(duì)稱性，增強(qiáng)了電子散射，故而電流增加速率變緩。通過模擬計(jì)算還表明：吸附的分子提供了雙重作用，一方面它們的電子態(tài)會(huì)破壞碳納米管勢場的平移對(duì)稱性，從而降低系統(tǒng)的透射能力：而另一方面，吸附分子提供的能級(jí)，有利于電極中的電子隧穿散射區(qū)；只當(dāng)偏壓窗口包含吸附分子所貢獻(xiàn)的透射能力時(shí)，這種吸附的影響才會(huì)反映在電壓.電流特性中。

5、故而，(4，4)碳納米管吸附水分子時(shí)，系統(tǒng)的電壓.電流與未吸附系統(tǒng)幾乎相同，只有在偏壓大于1.8V之后，吸附系統(tǒng)比未吸附系統(tǒng)的電流略有增加；而(4，4)碳納米管吸附氧分子時(shí)，系統(tǒng)的電壓.電流與未吸附系統(tǒng)相比一直都稍低，只當(dāng)偏壓大于1.7V之后，吸附系統(tǒng)比未吸附系統(tǒng)的電流略有增加。 　　(3)、對(duì)TaSi3團(tuán)簇夾在Al(111)-(3x3)電極之間構(gòu)成的結(jié)而言，隨分子.電極距離增加，系統(tǒng)的平衡電導(dǎo)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩變化。而這種振蕩來自于重整

6、化分子能級(jí)8態(tài)和9態(tài)隨距離的變化對(duì)費(fèi)米能級(jí)處透射譜的交替控制。團(tuán)簇與電極的相對(duì)位置不同，平衡電導(dǎo)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，其中團(tuán)簇繞x軸旋轉(zhuǎn)50度時(shí)，系統(tǒng)的平衡電導(dǎo)最小，約為1.1G0，其它轉(zhuǎn)角下平衡電導(dǎo)均在2.2Go左右變化。隨門電壓的增加，平衡電導(dǎo)在門電壓0.6V時(shí)最小，約為1.95G0，其它門電壓下平衡電導(dǎo)均在2.2Go左右變化。加上偏壓后，系統(tǒng)的電流.電壓響應(yīng)在-1.0V到1.0V內(nèi)呈現(xiàn)出非對(duì)稱的整流特性，并且在0.3V到0.4V出現(xiàn)