有機單分子器件串並聯電路量子干涉效應研究

《有機單分子器件串並聯電路量子干涉效應研究》是依託山東大學，由劉德勝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：有機單分子器件串並聯電路量子干涉效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉德勝
• 依託單位：山東大學

中文摘要

將電荷輸運性質可控的有機單分子器件進行串並聯組合以實現邏輯功能，進而組裝成分子機器，是分子電子學的最終目標，也是目前理論和實驗研究的熱點。本項目擬在前期研究基礎上，以電極/有機單分子器件簡單串並聯組合/電極作為研究對象，利用密度泛函理論（DFT）結合非平衡格林函式（NEGF）方法，研究有機單分子器件簡單串並聯組合電路中電荷載子的輸運特點，重點分析理解量子干涉效應在組合電路電荷輸運過程中的作用機理，考慮串並聯組合電路的內部結構因素，如不同的連線基團、分子的相對位置和取向、不同的界面相互作用等，對量子干涉效應的影響，探討量子干涉效應的有效調控方法及最最佳化組合方式。目的在於研究兩個有機單分子器件串並聯組合電路的電荷輸運過程中量子干涉效應的作用機理，揭示對量子干涉效應的有效調控方法，總結分子器件串並聯組合電路的普適規律，為有機單分子器件的邏輯功能組合提供理論基礎和指導，推動分子電子學的進一步發展。

結題摘要

主要研究了電極/有機單分子/電極以及鋸齒型石墨烯、矽烯納米帶串並聯組合構成分子器件的電子輸運性質，並研究了自旋極化對器件輸運性質的影響。這些器件顯示出了許多優良的物理特性，如開關、整流、負微分電阻、自旋過濾和巨磁阻等性質，豐富了分子自旋電子學的研究。在該項目基金的支持下，在Phys. Chem. Chem. Phys.、Org. Electron.、RSC Adv.、Phys. Lett. A、Chem. Phys. Lett.、J. Chem. Phys.、J. Mater. Chem. C等SCI刊物上發表相關學術論文28篇。具體研究成果著重列舉以下內容。（1）採用密度泛函理論+非平衡格林函式的方法，以Au/ferrocenylalkanethiol (二茂鐵硫醇)異質結/Au串聯的分子器件為對象，研究了分子異質結電子輸運性質，並解釋了HSC11Fc 和HSC9Fc之間整流比的一級偏差存在的原因。（2）以n-acene（並苯）為中心分子，鋸齒型石墨烯納米帶為電極，採用自旋極化密度泛函理論+非平衡格林函式方法，研究了n=3,4,5,6情況下這一系列器件的自旋輸運性質。在這些器件中發現有100%自旋過濾效應、雙向自旋整流效應、8000%巨磁阻效應以及負微分電阻效應等性質。（3）套用第一性原理方法（自旋極化密度泛函+非平衡格林函式），研究了錳鈦菁（MnPc）分子構造的器件的氣體檢測性能，通過對比吸附六種不同氣體（NO、CO、O2、CO2、NO2和NH3）自旋輸運性質的不同來辨別不同的分子。其中，NO分子吸附能夠實現Mn自旋的關閉態，因此可以作為開關分子自旋的有效方法。而CO2和NH3分子由於與Mn的范德瓦耳斯力作用較弱，很難被探測到。（4）以氧飽和的鋸齒型石墨炔和氫飽和的鋸齒型石墨烯納米帶串聯構造的異質為研究對象，採用密度泛函理論+非平衡態格林函式方法，探究了氧原子數目和位置對異質結電子輸運性質的影響。當氧原子數目和位置發生改變時，納米帶的宇稱發生變化，宇稱隧穿效應會使得整流方向發生反轉。這些研究成果必將進一步促進分子自旋電子學的發展。