新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计

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1、湖南大学博士学位论文新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计姓名：何军申请学位级别：博士专业：物理学指导教师：陈克求20120530新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计摘要近年来，电子器件的不断微型化激起了人们对分子器件的研究兴趣。同时，碳基分子器件也被人们认为是当今硅基半导体器件最为理想的替代者。本文针对具有重要理论意义和广泛应用前景的碳基分子器件，将基于第一性原理的电子结构理论与基于非平衡格林函数的输运理论相结合，系统研究了功能分子器件中的电子输运机理。并且着重研究了分子裁剪、掺杂、分子材料的杂化连接、分子间的丌一丌弱相互作用等物理化学方法对分子器件性能的

2、调控。同时，我们也探究了外界环境因素湿度对碳基分子器件电子输运性质的影响。具体研究内容如下：通过运用分子裁剪的方法，我们设计了一个基于扶手椅型石墨烯纳米带的自旋电子器件。我们研究了该分子器件的自旋输运机理及性能调控。计算研究结果表明，该分子器件同时具有整流和完美自旋滤波的特性，且其整流性能可以通过边界硼氮掺杂而得到有效调控。这些结果为在单个分子上实现多功能集成提供了新思路。系统研究了由锯齿型硼氮纳米带(zigzagboronnitridenanoribbon，ZBNNR)与锯齿型石墨纳米带(zigzaggraphenenanoribbon，ZGNR)组成的杂化体系的电

3、子结构及电子输运行为。计算研究结果表明，ZGNR的宽度对杂化体系的能带结构有非常明显的调控效应，能使杂化体系的能带结构呈现出多样化的转变，特别是能观察到半半金属(half-semimetal)的特性。相反，ZBNNR的宽度对杂化体系能带结构的调控效应并不明显。进一步研究发现，能带结构中所呈现出这些特性根源于杂化结构中的电荷分布与电荷转移。更有意思的是，在由这种杂化纳米带构成的新型分子器件中，我们观察到了电流的自旋极化行为及负微分电阻(negativedifferentialresistance，NDR)效应。这些结果将在实现带隙调控、设计分子自旋阀、分子电控开关等分子

4、器件提供了新的思路。研究了单壁碳纳米管中螺旋形石墨纳米带(spiralgraphenenanoribbon，SGNR)的自旋输运行为。计算研究结果表明，当SGNR带具有锯齿型边界时，在器件中我们可以观察到自旋极化的电流；而当SGNR具有扶手椅型边界时，自旋极化电流完全消失。通过详细的分析讨论，我们发现在具有锯齿型边界的SGNR中形成了环形电流，而电子在器件中的自旋极化输运行为正是根源于环形电流所产生的磁矩的作用。然而，在具有扶手椅型边界的SGNR中没有形成环形电流和磁矩，所以自旋极化电流完全消失。更有意思的是，通过改变具有扶手椅型边界的SGNR的宽度，可以使分子器件实

5、现从金属性到半导体性的转变。这些结果在分子器件的设计中有着重要的应用前景。Ⅱ博士学位论文研究了具有不同分子间相互作用的Go分子器件的电子输运行为。计算研究结果表明，分子器件的电子输运性质将随着分子间相互作用类型的不同而发生改变。在分子间弱相互作用的体系下我们观察到了基于NDR效应的快速响应开关行为；而在强相互作用体系下，我们观察到的是电流随偏压增加而逐渐减小的NDR行为。进一步研究发现，快速响应的NDR行为根源于由弱7r一丌分子间相互作用引起的电子共振遂穿机制。这在制作快速响应分子器件方面有着重要的应用。初步探究了湿度效应对G。分子器件电子输运性质的影响。研究结果表明

6、湿度对纳米电子器件的输运性质及稳定性都有很大的影响。进一步研究发现，输运性质的不稳定性主要根源于凰0分子与碳纳米管电极之间形成的局域势垒。这一结果有助我们理解当前实验研究与理论研究之间存在的较大差异。同时也告诉我们，湿度是影响分子器件电子输运性质及器件稳定性的一个非常重要的外界因素，因此在我们今后的研究工作中不能轻易被忽略。关键词：第一性原理；密度泛函理论；非平衡格林函数方法；新型功能分子器件；电子传输机理；器件性能调控。III新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计AbstractInrecentyears，therehavebeenincreasinginter

7、estanddevelopmenteffortsinminia-turizingelectronicdevices．Thecarbonbasedmoleculardevicesareconsideredasthemostidealsubstituteforthecurrentsiliconbasedsemiconductordevices．Inthisthe-sis，wehaveperformedfirst-principlescombinedwithnonequilibriumGreen’Sfunctioncalculationsonthetran