表面等離極化激元對電荷輸運影響的自洽場理論的研究.pdf

1、表面等離極化激元(SPP)對電荷輸運的影響研究是MIM結(jié)隧道激發(fā)SPP耦合發(fā)光和結(jié)電流輸運出現(xiàn)負阻現(xiàn)象相結(jié)合的產(chǎn)物。本文的主要目的是揭示SPP的量子性質(zhì)、電流通道的物理實質(zhì)和激元影響電流的物理圖像。我們采用量子化學(xué)中的自洽場理論和離散變分方法，計算MIM體系原子簇的分子軌道場系數(shù)、電荷密度和電勢分布；根據(jù)激子理論的二次量子化的方法，推導(dǎo)出SPP模式在體系原子軌道基函數(shù)表象下隨時間變化的方程，獲得激元的能量譜；然后采用電流輸運的基本公式，

2、建立原子軌道表象的動量矩陣，分析原子軌道的動量形式，構(gòu)造分子軌道場的電荷輸運矩陣，明確表達形成電流通道的物理基礎(chǔ)是來自原子軌道間的交疊態(tài)。最后采用SPP頻譜規(guī)范電流輸運矩陣得到電流輸運多項式，據(jù)此，我們提出SPP影響電流輸運導(dǎo)致負阻現(xiàn)象的物理圖像。 本文首先描述密度泛函理論，介紹密度泛函的精確形式。在離散變分方法中，我們把體系多電子波函數(shù)用Slater基函數(shù)展開，利用電子的費米子特性，多電子波函數(shù)可表達成一組分子軌道波函數(shù)的行列

3、式。在采用Bom-Oppenheimer近似后，原子單位下的體系Hamilton算符作用簡約多電子波函數(shù)上，獲得在分子軌道波函數(shù)上的薛定諤方程。然后考察方程在原子軌道基函數(shù)上系數(shù)的最優(yōu)化問題，我們得到了體系能級的本征能矩陣形式。電子的交換相關(guān)勢采用Xa方法。最后采用原子軌道波函數(shù)的數(shù)值基，對MIM體系空間剖分，運用丟番數(shù)值積分，就可以求解矩陣的本征能和分子軌道場系數(shù)。 其次，以Cu/CuO/Cu為實際計算模型，根據(jù)已有晶格常數(shù)，

4、經(jīng)過晶格匹配、臨界原子和有效計算原子數(shù)的考察，我們建立了模擬MIM體系的原子計算模型。由此，具體的原子軌道數(shù)值基、電子的交換相關(guān)勢、外加電場、初始電荷密度以及迭代過程等計算細節(jié)的順利完成，為我們得到并分析體系的分子軌道場系數(shù)、電荷密度，空間勢分布、能態(tài)分布以及局域電子能態(tài)分布等鋪平了道路。 這些計算完成之后，隨之而來的是從分子軌道角度回答電流輸運的機制，于是我們必須面對體系動量的分布。我們對動量算符在分子軌道波函數(shù)的行列式構(gòu)成的

5、體系波函數(shù)上的均值進行了考察，得到在原子軌道表象上的動量矩陣形式。于是，我們接著考察原子軌道在x方向上的動量形式，給出了每個軌道的解析形式，為數(shù)值計算動量奠定基礎(chǔ)。我們分析了體系動量矩陣數(shù)據(jù)，提出構(gòu)成電流通道的“共軛”對和“非共軛”對的模型。我們研究了電場影響下的動量矩陣元素的變化，得到體系總的動量均值隨電場變化的表達式，指出體系原子軌道雜化態(tài)形成的電流通道中，“共軛”對對電流輸運貢獻很大，而“非共軛”對的貢獻比較小。 對SPP

6、的考察是建立在空間電荷密度的分析上。我們研究體系電荷密度在各雜化態(tài)上的電荷占據(jù)數(shù)隨時間變化的規(guī)律，指出正是這些雜化態(tài)上的電荷占據(jù)數(shù)的波動形成了體系金屬—絕緣層間的表面等離極化激元SPP的振動，所計算的振動頻譜和實驗結(jié)果相吻合； 由此，在動量研究和SPP研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者給出體系中SPP對電荷輸運的影響，計算出相應(yīng)的電流—電壓曲線，和實驗相吻合；并給出了MIM體系在外電場激發(fā)SPP過程中，電流輸運變化的物理圖象； 綜合