半導(dǎo)體表面導(dǎo)電分子線的生長(zhǎng)機(jī)理與電磁性質(zhì)研究.pdf

1、隨著人們對(duì)計(jì)算能力要求的不斷提高，電子器件的尺寸越來越小，速度越來越快，逐漸發(fā)展為分子電子器件。其中，一維分子線因其獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)和磁性質(zhì)等成為分子電子器件中一種重要的構(gòu)建單元。如何使分子線穩(wěn)定地與半導(dǎo)體表面結(jié)合的同時(shí)保持分子線本身的電磁性質(zhì)非常關(guān)鍵。近年來，無論是實(shí)驗(yàn)上還是理論上對(duì)一維分子線在半導(dǎo)體襯底上的結(jié)合機(jī)制及電磁性質(zhì)的調(diào)控等方面的研究都取得了一定的進(jìn)展。本論文基于第一性原理的密度泛函理論計(jì)算，研究了一維分子線及其在半

2、導(dǎo)體硅/鍺襯底上的電磁性質(zhì)，利用有機(jī)分子在表面的選擇性吸附和自組裝機(jī)制，提出了幾種在半導(dǎo)體表面制備分子線的可能方法，并在理論上證明了通過摻雜和外加電場(chǎng)等手段可以調(diào)控其在半導(dǎo)體表面上的電磁性質(zhì)。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1)通過表面聚合反應(yīng)在H-Si(001)-2×1表面制備導(dǎo)電分子線。如何將導(dǎo)電分子線穩(wěn)定地釘扎在半導(dǎo)體襯底上是分子線走向應(yīng)用首先要解決的難題。針對(duì)這一難題，我們提出了一種分兩步在H-Si(001)-2×1表面制備HPy

3、MB導(dǎo)電分子線的方法。第一步，HPyMB分子通過吡啶環(huán)選擇性吸附在H-Si(001)-2×1表面[110]取向的Si懸掛鍵上;第二步，吸附的HPyMB通過分子間脫水反應(yīng)聚合形成分子線。我們的計(jì)算表明，HPyMB分子能夠通過形成Si-N共價(jià)鍵穩(wěn)定地吸附在Si表面，形成的分子線/襯底結(jié)構(gòu)是金屬性的，但導(dǎo)電能力很差，通過空穴摻雜可以提高其導(dǎo)電性。該分子線是其唯一的導(dǎo)電通道，且體系的電子性質(zhì)對(duì)外電場(chǎng)不敏感，這有利于其在實(shí)際中的應(yīng)用。
　　

4、2)1，3，5-三乙炔苯在H-Si(100)-2×1表面自組裝及通過與CO的表面聚合反應(yīng)制備表面導(dǎo)電聚合物。我們提出了利用炔烴分子在H-Si(100)-2×1表面通過自組裝進(jìn)一步形成表面聚合物的機(jī)制。研究表明，1，3，5-三乙炔苯(TEB)分子首先在H-Si(100)-2×1表面形成沿著[011]方向的一維分子陣列，然后通過連接在表面的分子與CO發(fā)生分子間[2+2+1]加成反應(yīng)聚合形成分子線。這種分子線/Si(100)-2×1結(jié)構(gòu)本身具

5、有半導(dǎo)體性質(zhì)，且通過電子摻雜能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲c我們研究的其它的分子線/半導(dǎo)體組合一樣，分子線的能帶穿過費(fèi)米面，提供導(dǎo)電通道，而Si襯底能夠保持它本身的半導(dǎo)體性質(zhì)。
　　3)利用分子自組裝和表面聚合反應(yīng)在H-Si(100)-2×1表面制備導(dǎo)電聚噻吩。聚噻吩在電致發(fā)光，化學(xué)傳感器等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，但如何在半導(dǎo)體表面高效制備聚噻吩仍是當(dāng)前的一個(gè)挑戰(zhàn)。利用烯烴在H-Si(100)-2×1表面的自組裝反應(yīng)機(jī)制，我們研究了不同長(zhǎng)度

6、的噻吩取代的鏈狀烯烴分子(H2C=CH-(CH2)n-thiophene)在H鈍化的Si(100)-2×1或Ge(100)-2×1表面形成一維分子陣列的機(jī)理。研究表明，當(dāng)H2C=CH-(CH2)n-thiophene分子在表面形成分子陣列后，噻吩環(huán)并列位于分子陣列頂端，一旦噻吩環(huán)中引入游離基，相鄰的噻吩可以聚合形成聚噻吩，進(jìn)一步形成生長(zhǎng)在半導(dǎo)體表面的聚烷烴噻吩-Si/Ge(100)-2×1結(jié)構(gòu)。像大多數(shù)的導(dǎo)電聚合物一樣，聚烷烴噻吩-Si

7、/Ge(100)-2×1為半導(dǎo)體，且可以通過空穴摻雜或施加外電場(chǎng)調(diào)節(jié)使其具有導(dǎo)電性。更重要的是，襯底和連接在表面的聚合物都能夠保持它們各自的電子性質(zhì)，并且聚噻吩鏈?zhǔn)俏ㄒ坏膶?dǎo)電通道，因此能夠有效的防止發(fā)生漏電現(xiàn)象。
　　4)[EuCOTB]∞三明治分子線及H-Ge(001)-2×1表面對(duì)分子線電磁性質(zhì)的影響。鑭系有機(jī)金屬三明治化合物由于具有高的穩(wěn)定性和磁矩，在自旋電子器件上有很大的應(yīng)用前景。基于第一性原理計(jì)算，我們系統(tǒng)地研究了鑭系金

8、屬Eu和B摻雜的環(huán)辛四烯基(COTB)形成的三明治分子線的結(jié)構(gòu)以及電磁性質(zhì)，并進(jìn)一步研究了半導(dǎo)體Ge襯底對(duì)分子線電磁性質(zhì)的影響。計(jì)算表明，一方面，COT配體中B摻雜能夠大大提高分子線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和自旋穩(wěn)定性;另一方面，配體中B摻雜能顯著地調(diào)節(jié)分子線的電子性質(zhì):一維[EuCOTB]∞和[Eu-COTB-Eu-COT]∞分別為金屬和半金屬材料。半導(dǎo)體襯底對(duì)[EuCOTB]∞和[Eu-COTB-Eu-COT]∞分子線磁性質(zhì)的影響較小，支撐在H