分子尺度开关的实现方式及其机理研究.pdfVIP

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AbstractV

第一章分子电子学研究进展及存在的问题1

1.1分子电子学发展历程1

1.1.1分子电子学的产生1

1.1.2单分子测量技术1

1.2分子开关研究背景4

1.3论文主要探究内容8

第二章量子化学计算与电输运理论9

2.1Born-Oppenheimer(B-O)近似9

2.2密度泛函理论(DFT)10

2.2.1Hohenberg-Kohn(H-K)定理11

2.2.2Kohn-Sham方程11

2.2.3交换关联泛函12

2.3非平衡格林函数方法(NEGF)13

2.3.1基于DFT的非平衡格林函数方法14

2.3.2基于DFT的非平衡格林函数方法的电输运自洽过程16

第三章金/银纳米结的界面结构演化及开关性质研究19

3.1计算模型与参数设置19

3.2金纳米结的拉伸/压缩过程20

3.3银纳米结的拉伸/压缩过程26

3.4金纳米结界面结构变化对应的开关特性32

3.5本章小结34

第四章偶氮苯分子的异构变形与开关性质研究35

4.1计算模型与参数设置35

4.2平面-平面电极偶氮苯分子结拉伸/压缩过程及其能量曲线37

4.3不同电极形状对偶氮苯分子结的输运性质影响43

4.4本章小结46

第五章烯醇式/酮式异构分子结的电输运性质及开关特性研究47

5.1计算模型与参数设置48

5.2不同电极界面构型对烯醇式/酮式分子结输运性质的影响49

5.3烯醇式和酮式分子结电导差异分析50

5.4本章小结53

第六章总结与展望55

6.1研究内容总结55

6.2未来工作展望57

参考文献59

攻读硕士学位期间发表的学术论文67

致谢69

分子尺度开关的实现方式及其机理研究

随着电路集成度的不断提高，如何设计纳米尺度甚至单分子层次的电子器件成为当

今科研领域的研究热点之一。单分子技术的不断发展为设计分子尺度器件提供了必要条

件。在分子结组装过程中，单分子电输运性质的测量为实时控制单分子结的形成过程提

供了可行条件。开关是电路中最重要的功能元器件之一，根据调控手段的不同可以设计

不同形式的分子开关，如力控、光控、场控等手段都可以引起分子体系几何结构或者电

子结构的明显变化而产生开关功能。偶氮苯分子因具有光异构特性而受到关注，其在力

控作用下同样有异构转换的可能而产生开关特性。互为异构体的烯醇式和酮式分子在光

照或者溶液中可以发生互相转换，两类分子的高低电导转换机制及开关特性值得深入探

讨。不仅分子可以通过异构转换产生开关特性，纯的金属纳米结同样可以通过力控和场

控等手段实现开关功能。为了理解分子尺度开关高低电导转换的内在机理，我们基于第

一性原理计算研究了以上三种具有开关特性的分子或者纳米结体系的电输运性质及其开

关转换机理。论文主要包括以下内容：

(1)力控作用下金/银纳米结的界面结构变化及开关性质研究

研究发现，金属纳米结即将断裂前在偏压作用下可以产生电导跃变现象而表现出开

关特性。为此我们研究了金银纳米结的拉伸与压缩过程及其可能产生的开关特性。为了

确定纯金属纳米结易于出现的界面结构，考虑到实验测量多采用扫描隧道裂结(STM-BJ)

技术，在计算中设计了锥形尖端正对的电极结构。计算结果显示，金纳米结经历多次拉

伸和压缩过程仍然能够恢复规则晶格排列的初始构型，银纳米结则很难恢复尖端正对结

构。金纳米结在拉伸过程中连接点处呈现依次递减的趋势，并导致电导变化趋势呈阶梯

状，与实验测量的变化趋势一致。在结构演化过程中存在着一些值得关注的特殊结构，

如在特定电极距离范围内，即存在单原子连接的情况，也存在双原子连接的构型，单原

子连接时对应着低电导状态，双原子连接时对应着高电导状态，在电极移动或者电场作

用下可以