文档介绍：学校代号 10532 学号 T08071001
分类号密级
博士学位论文
低维碳基分子器件的电荷输运
机理研究及计算设计
学位申请人姓名张小姣
培养单位物理与微电子科学学院
导师姓名及职称陈克求教授
学科专业凝聚态物理
研究方向分子电子学
论文提交日期 2011 年 11 月 10 日
学校代号:10532
学号:T08071001
密级:
湖南大学博士学位论文
低维碳基分子器件的电荷输运
机理研究及计算设计
学位申请人姓名: 张小姣
导师姓名及职称: 陈克求教授
培养单位: 物理与微电子科学学院
专业名称: 凝聚态物理
论文提交日期: 2011 年 11 月 10 日
论文答辩日期: 2012 年 1 月 5 日
答辩委员会主席: 王玲玲教授
Study of Charge Transport Mechanism and Calculational Design for
Low-dimensional Carbon-based Molecular Devices
by
ZHANG Xiaojiao
.(Hunan University of Arts and Science) 2003
A dissertation submitted in partial satisfaction of the
Requirements for the degree of
Docter of Science
in
Physics
in the
Graduate School
of
Hunan University
Supervisor
Professor CHEN Keqiu
November, 2011
湖南大学
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作者签名: 日期: 年月日
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作者签名: 日期: 年月日
导师签名: 日期: 年月日
I
低维碳基分子器件的电荷输运机理研究及计算设计
摘要
本文采用基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法相结合的第一性原理计
算,研究了几类分子尺度器件的电子结构和输运性质。我们对影响分子器件电子
输运性质的一些重要问题进行了深入研究,如:分子与电极之间的电荷迁移、分
子轨道的共轭性、原子掺杂、侧基团取代效应等;另外,我们还从理论上提出了
功能化分子器件设计的构想,如 DNA 快速测序传感器、P-N 结器件等,得到了如
下一些有意义的研究结论:
研究了 C60 ,C59 N 和 C59 B 三个分子结的电子输运性质。结果显示这三个分子
器件都表现出类金属的输运性质。在低偏压下,引入的给体原子 N 和受体原子 B
都削弱了 C60 的电子输运,特别是 B 原子掺杂对电子输运有重要的抑制作用。在
正负 至 偏压范围内, C60 和 C59 N 分子结的电子输运性质被明显抑制,
且在此偏压范围内 C60 出现了负微分电阻效应, C59 B 的电流则随偏压升高而显著
上升,它和 C59 N 都没有出现负微分电阻现象。我们的这些研究结果表明原子掺
杂能增大 HLG (HOMO LUMO Gap )并改变分子轨道能量,导致分子轨道与电极
之间的耦合变化,从而显著改变分子结的电子输运性质。
研究了以 TTF 为中心的分子链连接在两个半无限长金电极间组成的“电极-
分子-电极”双探针体系的电子输运性质。考察了结构扭转与侧基团效应对分子
器件电荷输运性质的影响。研究发现,结构扭转和侧基团的取代都能改变分子轨
道的共轭性,从而导致分子导电性质的改变。当分子中所有的原子处于同一平面
上时,分子轨道具有很好的共轭性,从而表现出良好的导电性质。而当一端的苯
环发生扭转时,分子轨道的共轭性被破坏,电荷输运通道被抑制,导