有機(jī)共軛分子器件的界面結(jié)構(gòu)與電輸運(yùn)性質(zhì)理論研究.pdf

1、隨著科學(xué)理論的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步,目前微型電子產(chǎn)品的尺寸已經(jīng)達(dá)到經(jīng)典電磁學(xué)的極限。當(dāng)進(jìn)一步微縮的電子元件不再符合傳統(tǒng)電磁學(xué)理論時(shí),分子器件的概念應(yīng)運(yùn)而生。自從1974年分子器件被Aviram和Ratner提出以來,已經(jīng)得到了科學(xué)家們長(zhǎng)足的發(fā)展。在目前大多數(shù)有關(guān)功能分子器件的研究中,分子器件都是由“電極—分子—電極”模型構(gòu)成的,它們的電學(xué)特性與電極和分子末端的接觸方式有非常大的關(guān)系。接觸方式主要包括兩方面:電極界面結(jié)構(gòu)和分子末端基團(tuán)。<

2、br>　　首先,目前在實(shí)驗(yàn)上研究分子器件的主要方法中,無論是掃描隧道顯微鏡法(STM),還是力學(xué)可控劈裂法(MCBJ),存在的問題在于探針表面或拉斷的金屬線表面的原子界面結(jié)構(gòu)無法精確確定。而理論工作顯示,在不同電極界面結(jié)構(gòu)下組裝形成的分子器件的電學(xué)性質(zhì)有很大差異。因此,深入了解和精確控制電極界面結(jié)構(gòu)對(duì)分子器件各項(xiàng)物理性質(zhì)的影響,對(duì)于分子電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展有非常重要的意義。其次,分子末端基團(tuán)是分子與電極成鍵的關(guān)鍵部位,目前研究者們研究了很

3、多種末端基團(tuán),但是對(duì)于羧基的研究很少。羧基作為常見的,具有較強(qiáng)極化性的有機(jī)物官能團(tuán),我們預(yù)測(cè)它將能夠與電極形成穩(wěn)定的分子鍵。而且,目前有關(guān)電極界面結(jié)構(gòu)影響分子器件性質(zhì)的理論工作中,烴類飽和有機(jī)分子的研究居多,芳香類共軛分子的研究較少。
　　因此,基于已有的研究和現(xiàn)存的問題,本文展開的工作是利用密度泛函理論方法,結(jié)合彈性散射格林函數(shù)方法,研究了兩種電極界面結(jié)構(gòu)下,一系列有機(jī)共軛分子器件的力學(xué)穩(wěn)定特性和電輸運(yùn)特性。具體工作如下:

4、>　　一、根據(jù)實(shí)際情況和理論可行性,設(shè)計(jì)了兩種界面構(gòu)型的金電極結(jié)構(gòu),分別是金原子平面上帶一個(gè)頂端金原子結(jié)構(gòu)和金字塔形的四面體結(jié)構(gòu);選取了4-硫甲基苯甲酸(M1),1,4-對(duì)硫甲基苯以(M2)及4-硫甲基苯鉀酸酯(M3)三種具有特定末端基團(tuán)的共軛分子,與不同結(jié)構(gòu)的電極分別構(gòu)建分子器件;研究了電極界面結(jié)構(gòu)對(duì)分子器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:計(jì)算得到的 M1和 M2的拉斷力與實(shí)驗(yàn)工作報(bào)道的數(shù)值吻合的很好; M1分子結(jié)在拉伸過程中在硫甲基

5、與金原子成鍵處(即SMe-Au鍵,其中SMe表示硫甲基SCH3)發(fā)生斷裂而不是羧基與金原子成鍵處(即COO--Au鍵,其中COO-表示去掉一個(gè)H原子的羧基),因此M1分子結(jié)的拉斷力比M2的大;COO--Au鍵的拉斷力約為2.5nN,是一種很穩(wěn)定的化學(xué)鍵;M3分子中COO?末端鏈接的CH3破壞了COO--Au鍵的穩(wěn)定性,因此M3分子結(jié)的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差。
　　二、在已設(shè)計(jì)好的分子器件模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了不同界面結(jié)構(gòu)下,共軛分

6、子器件電輸運(yùn)性質(zhì)。計(jì)算數(shù)據(jù)顯示:M2分子結(jié)的電導(dǎo)比M1分子結(jié)大了一個(gè)數(shù)量級(jí),且在綜合考慮了兩種電極界面結(jié)構(gòu)的情況下,計(jì)算得到的三種分子電導(dǎo)分布與已有實(shí)驗(yàn)工作吻合。進(jìn)一步分析結(jié)果表明:0.45V的偏壓下,M1分子在某一電極間距時(shí)分子軌道微弱地?cái)U(kuò)展,而 M2和 M3分子軌道定域化明顯,因此在此偏壓下發(fā)生非共振輸運(yùn),分子結(jié)導(dǎo)電特性主要受分子與電極間的耦合作用影響;1.0eV的偏壓下,M2分子的相應(yīng)軌道擴(kuò)展性很好,因此電導(dǎo)增加明顯,而M1和M3

7、分子軌道仍呈現(xiàn)明顯的定域化分布,因此電導(dǎo)沒有顯著提高,我們推測(cè)這與COO--Au鍵中O原子的強(qiáng)負(fù)電性有關(guān)。
　　本文內(nèi)容主要分為五章。第一章為前言,對(duì)有機(jī)分子器件做了簡(jiǎn)要介紹,對(duì)分子器件的電極界面結(jié)構(gòu)相關(guān)研究進(jìn)展做了著重介紹。第二章為理論部分,依次介紹了用于電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的密度泛函理論方法和用于電輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算的彈性散射格林函數(shù)方法。第三、四章為本人在碩士研究生期間完成的主要工作,其中第三章研究了有機(jī)共軛分子在不同電極界面結(jié)構(gòu)下的空間