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芳香类分子电输运性质的研究

作　者: 盖家祥
导　师: 王传奎
学　校: 山东师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 芳香类分子电输运性质格林函数分子器件
分类号: O561
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

利用功能单分子构建光电子器件是纳米学和分子电子学研究的目的之一。分子器件是指构建在单个分子或有限个分子上的具有特定功能的器件,其尺寸在纳米量级,使用的材料有纳米线、纳米管、纳米颗粒、有机小分子、生物分子、DNA等.近年来,在实验和理论上对单分子的电学特性的测量和研究已经成为分子电子学研究的重要内容。其研究成果一旦推向应用领域,将极大地推动社会生产力的发展。芳香类分子由于含有能够在分子中自由移动的π电子,具有较好的电学性质,所以很多实验和理论工作者都选取这一类的分子作为对象进行研究。本文的工作是利用密度泛函理论,结合弹性格林函数方法来对芳香类分子的电输运性质进行理论研究。我们选取四个金原子组成正四面体的金原子团簇来模拟电极,与自由分子相连,形成电极—分子—电极的扩展分子模型。首先研究了芳香类分子的平面性和长度对其电输运性质的影响。选取了4,4’-diaminobipheny(C12H12N2)和4,4’’-diamino-p-terphenyl(C18H16N2)进行研究。通过分析各扩展分子的几何结构、伏安特性曲线、电子输运谱和分子轨道的电子分布,发现分子中的芳香环发生扭转后,其电子输运能力相应减小。芳香分子越长,其电流值在相同偏压下越小,从而说明分子内的扭转角度的出现以及分子长度的增加都不利于电子的输运。其次,研究了芳香环个数对芳香类分子电输运性质的影响。选取了芳香类分子1,4-diaminobenzene(C6H8N2) , 1,4-diaminonaphthalene(C10H10N2) ,9,10-diaminoanthracene(C14H12N2) , 2,6-diaminonaphthalene(C10H10N2) ,2,6-diaminoanthracene(C14H12N2)作为对象,通过分析各扩展分子的几何结构、电子输运谱、能级和分子轨道的电子分布和分子的电导值,发现随着芳香环个数的增加,分子HOMO被抬高,HOMO和LUMO能量间隔减小,从而有利于电子的隧穿,其开启电压也越来越低。当分子长度相同时,随着芳香环个数增加,其电导值随着变大;然而当分子长度也在增长时,其电导值却反而下降,说明在一定程度上,分子长度对电导的影响比芳香环的个数的影响要大。再次,研究了芳香类分子的同分异构对其电输运性质的影响。选取了芳香分子C10H10N2的四种同分异构体1,5-diaminonaphthalene , 2,6-diaminonaphthalene , 1,4-diaminonaphthalene , 2,7-diaminonaphthalene作为对象,讨论了分子构造对该系列分子的电输运性质的影响,研究了该系列分子结的电子输运谱,比较了局域分子轨道和扩展分子轨道(LUMO+2),并说明了各分子的第一个输运峰来自于扩展分子轨道LUMO+2。本论文共由七章组成:第一章为综述部分,简要介绍了分子电子学的研究意义,产生背景和目前存在的主要问题;第二章介绍了多粒子体系单粒子近似,包括波恩—奥本海默近似、哈特利—福克近似、密度泛函理论;第三章,主要介绍计算分子器件伏安特性的理论方法即弹性散射格林函数方法;第四章、第五章、第六章介绍了本文工作的计算过程和研究结果,并对研究结果进行了分析;第七章对本文工作进行了总结,并对分子电子学领域未来的发展进行了展望。

全文目录

中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章综述  10-14
  1.1 分子电子学的研究意义  10
  1.2 分子电子学的产生与发展  10-12
  1.3 目前存在的主要问题  12-13
  1.4 本文的工作  13-14
第二章多粒子体系的自洽场理论  14-24
  2.1 多粒子体系的薛定谔方程  14-15
  2.2 波恩—奥本海默近似  15-16
  2.3 哈特利—福克自洽场近似  16-19
  2.4 密度泛函理论  19-24
    2.4.1 Hohenberg--Kohn 定理  20-21
    2.4.2 Kohn--Sham 方程  21-24
第三章研究单分子器件电输运性质的理论方法  24-32
  3.1 分子器件的电流与电导  24-27
  3.2 输运函数与耦合常数  27-32
第四章平面性和长度对芳香类分子器件电输运性质的影响  32-38
  4.1 研究对象和计算步骤  32-33
  4.2 计算结果和讨论  33-37
    4.2.1 各扩展分子的几何结构  33-34
    4.2.2 各扩展分子的伏安特性曲线  34-35
    4.2.3 各扩展分子的电子输运谱  35-36
    4.2.4 各扩展分子分子轨道的电子分布  36-37
  4.3 小结  37-38
第五章芳香环个数和分子长度对芳香类分子电输运性质的影响  38-52
  5.1 研究对象和计算步骤  38-41
  5.2 计算和结果讨论  41-50
    5.2.1 各扩展分子的几何结构  41-42
    5.2.2 各扩展分子的电子输运谱  42-44
    5.2.3 各扩展分子的能级比较  44-47
    5.2.4 局域分子轨道和扩展分子轨道的比较  47-49
    5.2.5 各扩展分子的电导  49-50
  5.3 小结  50-52
第六章芳香类分子同分异构体的电输运性质研究  52-60
  6.1 研究对象和计算步骤  52-54
  6.2 计算结果和讨论  54-58
    6.2.1 各扩展分子的几何结构  54-55
    6.2.2 各扩展分子的电子输运谱  55-56
    6.2.3 局域分子轨道和扩展分子轨道的比较  56-58
  6.3 小结  58-60
第七章总结与展望  60-62
  7.1 本文工作总结  60-61
    7.1.1 本文工作的主要内容  60
    7.1.2 本文工作的主要结论与创新之处  60-61
  7.2 工作展望  61-62
参考文献  62-66
攻读硕士学位期间完成的论文  66-67
致谢  67

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