幾種分子電子學(xué)器件的電荷及自旋輸運(yùn)的第一性原理研究.pdf

1、隨著微電子器件的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基電子器件即將達(dá)到物理和尺寸的極限。人們期待出現(xiàn)一種新的替代材料，以投入到將來的邏輯晶體管的應(yīng)用中。具有納米尺寸的分子電子學(xué)器件被認(rèn)為是下一代電子器件的理想候選之一，因此它已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外越來越多研究人員的廣泛關(guān)注。分子電子學(xué)器件實(shí)際上就是一個(gè)分子結(jié)，它是分子電子電路中的一個(gè)基本的建構(gòu)單元。這種分子結(jié)是將一個(gè)單分子或者是一個(gè)分子組（或是一個(gè)分子單層）夾在兩個(gè)金屬電極之間所組成。本論文通過非平衡格林函數(shù)結(jié)

2、合密度泛函理論的方法對(duì)幾種單分子結(jié)的量子輸運(yùn)屬性進(jìn)行了理論研究。其主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　一、設(shè)計(jì)了一個(gè)單分子電子學(xué)器件，它是由單個(gè)噻吩分子夾在兩個(gè)一維的金電極之間構(gòu)成。兩種不同的接觸界面被研究，一種是將分子通過兩端的S基對(duì)稱地連接到兩邊的金表面，另一種是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將分子的一端通過巰基(-S)連接到金表面，而另一端通過H原子物理吸附到金表面。計(jì)算的電流電壓曲線顯示了奇異的負(fù)微分電阻和整流效應(yīng)，同時(shí)還伴隨著振蕩特性。這些現(xiàn)象在過去

3、他人的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)。導(dǎo)致上述效應(yīng)的原因是本文所使用的一維金電極，在電極原胞中，與輸運(yùn)垂直的方向上都加了足夠的真空層，切斷了分子與分子之間的相互作用。
　　二、設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單分子磁體的自旋電子學(xué)器件。構(gòu)造了兩種磁分子結(jié)，一種是使用金電極構(gòu)造的Au-Fe4-Au器件，首次執(zhí)行了自旋極化的輸運(yùn)研究，并預(yù)言該器件同時(shí)具有自旋閥、負(fù)微分電阻和自旋過濾效應(yīng)。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)連接分子與電極的配位基對(duì)自旋極化的輸運(yùn)有著重要的影響。另一種

4、器件是使用當(dāng)前研究的熱門石墨烯為電極，構(gòu)成Graphene-Fe4-Graphene分子自旋場(chǎng)效應(yīng)管。那么，為什么要選擇石墨烯作電極？過去，以鐵磁金屬作電極的分子自旋場(chǎng)效應(yīng)管由于鐵磁金屬表面易氧化的問題，導(dǎo)致在實(shí)際的生產(chǎn)制造中遇到了極大的困難。而用石墨烯作電極則可以有效地避免這一難題，同時(shí)，石墨烯在室溫下具有很好的穩(wěn)定性，這為在室溫的環(huán)境中研究磁分子的自旋極化的輸運(yùn)提供了保障。計(jì)算結(jié)果表明通過這個(gè)磁分子結(jié)的自旋極化的輸運(yùn)可以用門電壓來調(diào)

5、控，是一個(gè)典型的分子自旋場(chǎng)效應(yīng)管。
　　三、以上兩種單分子器件所采用的中心分子都屬于一維體系，現(xiàn)在我們將研究的內(nèi)容拓展到二維材料。自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維層狀結(jié)構(gòu)的材料受到了人們的廣泛關(guān)注。因?yàn)樗鼈兊暮穸瓤梢钥s小到幾個(gè)納米甚至更小，同時(shí)會(huì)伴有一系列新奇的物理、化學(xué)等屬性。盡管石墨烯一直被認(rèn)為是未來晶體管的最有競(jìng)爭(zhēng)力的候選，但是它的零帶隙本質(zhì)限制了它的實(shí)際應(yīng)用潛能。與石墨烯不同，具有類似層狀結(jié)構(gòu)的MoS2由于自身固有的半