碳納米管-有機小分子-碳納米管三明治結構電輸運特性的第一性原理研究.pdf

1、隨著電子器件小型化的深入研究，利用單分子及團簇，比如有機小分子、碳納米管以及生物分子等來構建電子線路的各種元器件已經成為最有可能的發(fā)展趨勢。對于這些分子尺度元器件的電學、光學特性的測量和分析發(fā)展成為了分子電子學。隨著測量手段的進步，分子電子學在實驗和理論上都取得了巨大的發(fā)展。分子自組裝的化學合成技術、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等實驗手段使得單分子器件的設計和測量成為可能，并且發(fā)現(xiàn)了單分子器件具有電子開關、負微分電阻效應、整流效應、分子

2、記憶功能、近藤效應等重要的特征，為實現(xiàn)分子器件功能化打下了基礎。在理論研究方面，半經驗方法和第一性原理方法是模擬、分析分子器件工作原理、尋找分子幾何構型與電子結構、電學性質等的主要手段。目前在分子電子學研究中，人們大多采用金屬（如金、銅、鋁等）作電極，而近來用碳納米管作電極的研究已經成為一個熱點。碳納米管具有豐富的電學、力學性質，在分子器件中，可用來作為準一維的電極材料使用，同時，單壁碳納米管電極在實驗上有著比傳統(tǒng)的金屬電極更好的操控性

3、，因此具有廣闊的研究前景和實際意義。對于電極來說，分子的尺度是很小的體系，碳納米管的特殊結構以及半導體性質對分子的幾何結構、電子結構以及分子與電極界面相互作用都會有顯著的影響，而這些影響直接決定著分子的電學性質。因此，有機分子構型的改變以及碳納米管電極本征性質對分子電子學研究都有著重要的意義。 本論文采用密度泛函理論（DFT）和非平衡格林函數(shù)（NEGF）相結合的第一性原理計算方法，選取苯基小分子作為研究對象，以碳納米管作電極，構

4、建了碳納米管/有機小分子/碳納米管三明治結構體系，系統(tǒng)地研究了碳納米管電極與分子扭轉角對電輸運性質的影響，論文主要包括以下內容。 第一章綜述部分，介紹了分子電子學產生的背景及研究的意義，當前分子電子學研究的方法，并給出了本論文的主要研究內容和技術路線。 第二章介紹了理論計算方法，即密度泛函理論（DFT）和非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，碳納米管的基本性質，采用碳納米管做電極的分子器件的實驗與理論研究。 第三章，利

5、用DFT+NEGF相結合的第一性原理計算方法，探討了不同螺旋性的碳納米管電極、分子間的扭轉角、分子與碳納米管壁的夾角對苯乙炔（PE）分子的電輸運性質的影響。研究表明，由于碳納米管電極的特殊構型以及分子與電極的自組裝過程難以精確控制，分子與電極有著多樣的連接形式。分子與管壁垂直的構型對連接界面處π鍵的共面性破壞最大，電導性最差。Armchair型與zigzag型碳納米管電極由于管壁結構不同，對分子構型優(yōu)化產生的效果也不同。其中armcha

6、ir型電極對分子的平面破壞較強，這主要是因為分子與管壁連接處兩側原子力作用不對稱，分子內苯環(huán)的扭轉導致了分子不共面，這種形變降低了整個體系的導電性。而zigzag型碳納米管雖然存有小的能隙，導電性比armchair型碳納米管弱，但是其對分子構型的影響不大，對分子平面共軛性破壞小。 第四章，研究了在碳納米管/分子/碳納米管異質結構電輸運過程中，界面耦合、zigzag碳納米管邊緣態(tài)、有機單分子長度方向上的有效勢壓降分布等對分子電流的

7、影響。結果表明，使用zigzag碳納米管做電極時，電極化學勢變得復雜，這在能級匹配上產生了精細結構上的差別，對體系的透射率有著直接的影響，從而改變系統(tǒng)電流、分子內電荷轉移、實空間有效勢分布，并產生類NDR效應。Zigzag型碳納米管在端口有較高的態(tài)密度，這種邊緣態(tài)（edgestate）在費米能級附近提供了電子隧穿的通道，對電輸運有著直接的影響。而armchair型碳納米管端口沒有邊緣態(tài)。因此，對于zigzag型碳納米管電極系統(tǒng)的電輸運分