表面等離極化激元對(duì)電荷輸運(yùn)影響的自洽場(chǎng)理論的研究.pdf

1、表面等離極化激元(SPP)對(duì)電荷輸運(yùn)的影響研究是MIM結(jié)隧道激發(fā)SPP耦合發(fā)光和結(jié)電流輸運(yùn)出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象相結(jié)合的產(chǎn)物。本文的主要目的是揭示SPP的量子性質(zhì)、電流通道的物理實(shí)質(zhì)和激元影響電流的物理圖像。我們采用量子化學(xué)中的自洽場(chǎng)理論和離散變分方法，計(jì)算MIM體系原子簇的分子軌道場(chǎng)系數(shù)、電荷密度和電勢(shì)分布；根據(jù)激子理論的二次量子化的方法，推導(dǎo)出SPP模式在體系原子軌道基函數(shù)表象下隨時(shí)間變化的方程，獲得激元的能量譜；然后采用電流輸運(yùn)的基本公式，

2、建立原子軌道表象的動(dòng)量矩陣，分析原子軌道的動(dòng)量形式，構(gòu)造分子軌道場(chǎng)的電荷輸運(yùn)矩陣，明確表達(dá)形成電流通道的物理基礎(chǔ)是來(lái)自原子軌道間的交疊態(tài)。最后采用SPP頻譜規(guī)范電流輸運(yùn)矩陣得到電流輸運(yùn)多項(xiàng)式，據(jù)此，我們提出SPP影響電流輸運(yùn)導(dǎo)致負(fù)阻現(xiàn)象的物理圖像。 本文首先描述密度泛函理論，介紹密度泛函的精確形式。在離散變分方法中，我們把體系多電子波函數(shù)用Slater基函數(shù)展開(kāi)，利用電子的費(fèi)米子特性，多電子波函數(shù)可表達(dá)成一組分子軌道波函數(shù)的行列

3、式。在采用Bom-Oppenheimer近似后，原子單位下的體系Hamilton算符作用簡(jiǎn)約多電子波函數(shù)上，獲得在分子軌道波函數(shù)上的薛定諤方程。然后考察方程在原子軌道基函數(shù)上系數(shù)的最優(yōu)化問(wèn)題，我們得到了體系能級(jí)的本征能矩陣形式。電子的交換相關(guān)勢(shì)采用Xa方法。最后采用原子軌道波函數(shù)的數(shù)值基，對(duì)MIM體系空間剖分，運(yùn)用丟番數(shù)值積分，就可以求解矩陣的本征能和分子軌道場(chǎng)系數(shù)。 其次，以Cu/CuO/Cu為實(shí)際計(jì)算模型，根據(jù)已有晶格常數(shù)，

4、經(jīng)過(guò)晶格匹配、臨界原子和有效計(jì)算原子數(shù)的考察，我們建立了模擬MIM體系的原子計(jì)算模型。由此，具體的原子軌道數(shù)值基、電子的交換相關(guān)勢(shì)、外加電場(chǎng)、初始電荷密度以及迭代過(guò)程等計(jì)算細(xì)節(jié)的順利完成，為我們得到并分析體系的分子軌道場(chǎng)系數(shù)、電荷密度，空間勢(shì)分布、能態(tài)分布以及局域電子能態(tài)分布等鋪平了道路。 這些計(jì)算完成之后，隨之而來(lái)的是從分子軌道角度回答電流輸運(yùn)的機(jī)制，于是我們必須面對(duì)體系動(dòng)量的分布。我們對(duì)動(dòng)量算符在分子軌道波函數(shù)的行列式構(gòu)成的

5、體系波函數(shù)上的均值進(jìn)行了考察，得到在原子軌道表象上的動(dòng)量矩陣形式。于是，我們接著考察原子軌道在x方向上的動(dòng)量形式，給出了每個(gè)軌道的解析形式，為數(shù)值計(jì)算動(dòng)量奠定基礎(chǔ)。我們分析了體系動(dòng)量矩陣數(shù)據(jù)，提出構(gòu)成電流通道的“共軛”對(duì)和“非共軛”對(duì)的模型。我們研究了電場(chǎng)影響下的動(dòng)量矩陣元素的變化，得到體系總的動(dòng)量均值隨電場(chǎng)變化的表達(dá)式，指出體系原子軌道雜化態(tài)形成的電流通道中，“共軛”對(duì)對(duì)電流輸運(yùn)貢獻(xiàn)很大，而“非共軛”對(duì)的貢獻(xiàn)比較小。 對(duì)SPP

6、的考察是建立在空間電荷密度的分析上。我們研究體系電荷密度在各雜化態(tài)上的電荷占據(jù)數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，指出正是這些雜化態(tài)上的電荷占據(jù)數(shù)的波動(dòng)形成了體系金屬—絕緣層間的表面等離極化激元SPP的振動(dòng)，所計(jì)算的振動(dòng)頻譜和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合； 由此，在動(dòng)量研究和SPP研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者給出體系中SPP對(duì)電荷輸運(yùn)的影響，計(jì)算出相應(yīng)的電流—電壓曲線(xiàn)，和實(shí)驗(yàn)相吻合；并給出了MIM體系在外電場(chǎng)激發(fā)SPP過(guò)程中，電流輸運(yùn)變化的物理圖象； 綜合