納米結(jié)構(gòu)體系的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、納米量級(jí)的分子器件由于其尺寸上的優(yōu)勢(shì)以及具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇特性質(zhì)，將在材料和量子信息等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，要想真正地設(shè)計(jì)出具有各種功能（如整流、開關(guān)等）、且可以穩(wěn)定工作的分子器件，實(shí)驗(yàn)和理論方面仍需完成許多工作，特別是對(duì)各種分子器件的輸運(yùn)機(jī)制方面的理解。隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，對(duì)材料進(jìn)行模擬計(jì)算已經(jīng)成為材料及器件研究領(lǐng)域的一種重要方法。這是因?yàn)樵谀承┣闆r下，計(jì)算機(jī)模擬能夠完成實(shí)驗(yàn)上不能完成的工作。因此利用第一性原理計(jì)算

2、方法來(lái)計(jì)算模擬分子器件，進(jìn)而研究其電輸運(yùn)性質(zhì)顯得極為重要。
　　 本論文基于密度泛函理論和非平衡態(tài)格林函數(shù)的第一性原理計(jì)算方法，理子學(xué)方面的潛在運(yùn)用，以此設(shè)計(jì)一些具有特殊功能的分子器件。重點(diǎn)探討了非對(duì)論上研究了一些分子以及其他一些納米尺度體系的輸運(yùn)性質(zhì)，并且探索其在分子電稱有機(jī)物分子的整流效應(yīng)；半徑大小在io(A)以下的金納米線體系的電導(dǎo)輸運(yùn)以及分子磁體中的磁性團(tuán)簇的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì)。
　　 第一章首先介紹了分子電子學(xué)的

3、發(fā)展和研究現(xiàn)況，其中包括目前研究分子電子學(xué)所采用的理論與實(shí)驗(yàn)方法，以及對(duì)計(jì)算機(jī)理論模擬的簡(jiǎn)單介紹，最后闡明了本論文研究的主要內(nèi)容及意義。
　　 第二章理論計(jì)算方法部分。首先比較詳細(xì)地介紹了第一性原理計(jì)算的密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法；其次詳細(xì)地闡述了如何將密度泛函理論和非平衡態(tài)格林函數(shù)方法結(jié)合，進(jìn)行分子器件量子輸運(yùn)計(jì)算；最后介紹常見的量子輸運(yùn)計(jì)算中采用的程序軟件。
　　 第三章運(yùn)用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)方法系統(tǒng)

4、地研究了PTCDI-(CH2)n[n=0，1，2，3，4，5，6]非對(duì)稱分子結(jié)隨著分子長(zhǎng)度變化的整流效應(yīng)。我們首先研究了隨著CH2數(shù)目n變化的各種分子的平衡透射譜，發(fā)現(xiàn)體系的平衡電導(dǎo)隨著CH2數(shù)目n的增大呈指數(shù)性的減小。這主要是因?yàn)殡S著分子長(zhǎng)度的增加，電子從一端電極隧穿到另一端電極的勢(shì)壘也隨著增加，從而導(dǎo)致體系的電導(dǎo)相應(yīng)地減少。另外從平衡透射譜推斷當(dāng)n≥1時(shí)，PTCDI-(CH2)n體系可能產(chǎn)生整流現(xiàn)象。然后從各個(gè)分子體系的電流-電壓曲

5、線中證實(shí)了當(dāng)n≥1時(shí)，整流產(chǎn)生。而且當(dāng)n=6時(shí)，整流比高達(dá)72.6。這么高的整流比表明PTCDI-(CH2)n分子在分子電子器件中具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。最后從某些偏壓下的透射譜以及HS-PTCDI-SH和HS-PTCDI-[CH2]6-SH分子的LUMO和HOMO軌道展寬方面，分析整流產(chǎn)生的原因，得出結(jié)論：整流現(xiàn)象起源于分子的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。
　　 第四章采用非平衡格林函數(shù)方法系統(tǒng)地探討了半徑從1.8(A)到8.65i(A)范圍

6、內(nèi)的超細(xì)Au納米線的電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明，所有的納米線都具有類似的電子結(jié)構(gòu)，但是隨著納米線半徑的增大，體系穩(wěn)定性增加的同時(shí)相應(yīng)體系費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度逐漸增加。這說明了體系的電子輸運(yùn)能力在逐步增強(qiáng)。體系中電導(dǎo)通道隨著納米線半徑的增大呈現(xiàn)逐步增加的現(xiàn)象也說明了這一點(diǎn)。這些現(xiàn)象在一定程度上有助于Au納米線量子電導(dǎo)的預(yù)測(cè)。
　　 第五章理論上探討了團(tuán)簇Mn4O4連接在兩半無(wú)限長(zhǎng)金納米線之間體系的電子結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明：整個(gè)