單分子結的界面結構表征和其電輸運及調控研究

《單分子結的界面結構表征和其電輸運及調控研究》是依託山東師範大學，由王傳奎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：單分子結的界面結構表征和其電輸運及調控研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王傳奎
• 依託單位：山東師範大學

項目摘要

利用單分子的性質來構築納米電子功能器件是納電子學的一個主要發展領域。在單分子水平上實現對單分子電荷輸運的理解、調控和開拓不僅有利於發現分子尺度電荷輸運奇異的物理現象，而且有利於實現單分子器件的實際套用。本項目擬利用基於密度泛函理論的分子動力學方法研究在典型條件下形成的單分子結的界面結構，獲得分子與電極的接觸細節，理解實驗上單分子結的形成機理。在此基礎上，一是通過進一步發展非彈性散射格林函式理論方法，計算單分子結的非彈性電子隧穿譜，結合實驗結果，揭示單分子結的微觀結構與其非彈性電子隧穿譜的關係，發展單分子結微觀結構的表征技術。二是採用基於密度泛函理論的非平衡格林函式方法計算其電輸運性質，深入研究石墨烯電極和末端基團與側基修飾以及溶液pH值對其電輸運性質的調控機理。本項目對發展用於確定分子與電極接觸細節的方法與技術、調控和開拓單分子結電荷輸運性能、設計和最佳化功能性分子器件等具有重要的意義。

結題摘要

信息技術的發展促使微電子學技術進入到納電子學技術。納電子學技術的發展離不開對物質量子態的進一步認識、對量子力學效應的套用以及對量子元件的構築材料和工作原理的理解。單分子是可以達到電子元件尺寸極限的穩定量子系統。在單分子水平上理解、調控和開拓電輸運不僅有利於發展分子尺度電輸運理論，而且有利於指導單分子器件製備及套用。本項目發展分子器件非共振電輸運理論，探索分子結的形成過程，完善分子結微觀結構的表征技術，發現分子結電輸過程的奇異物理現象，拓展分子結電輸運性質的調控方法，揭示其調控機理。一方面，通過探索單分子結電導和分子屬性關係，設計功能性分子器件，特別是分子整流器件。另一方面，通過研究分子結的形成過程和微觀細節，為單分子製備技術提供理論指導。 對於分子和電極弱耦合體系，現有的理論不能很好地研究低偏壓下的電子輸運性質。基於從頭算的分子有效勢場，建立了三維修正近似的一維電子輸運理論方法。該方法揭示了在低偏壓下非共振輸運對分子體系導電能力的貢獻。以二氨基烷烴系列分子為例，研究了分子結電導和分子長度的關係。在低偏壓下，分子結電導與分子長度的指數衰減因子為0.90，很好地符合了實驗值。 分子與電極的接觸細節是決定單分子結電輸運性質的關鍵因素之一，因此分子與電極的接觸控制對於製備穩定和可重複的分子器件非常重要。利用基於密度泛函理論的分子動力學方法研究了幾類分子結的形成過程，獲得了分子與電極的接觸細節，探討了單分子結的形成機理，並進一步發展了非彈性散射格林函式理論方法。 單分子結電輸運性質與分子屬性、電極、質子化等多因素有關，理解這些因素的調控機理，有助於設計功能性分子器件。羥基苯-吡啶基團分子內的氫鍵作用改變相鄰芳香性圓環的結構關係，顯著提高了分子結電流值。石墨烯納米帶、摻雜石墨烯納米帶、矽（鍺）烯納米帶電極能改善分子整流器件的整流性能，並可設計為有關氣體檢測的納米感測器。