基于石墨烯电极的齐聚苯乙炔分子器件的整流特性

以齐聚苯乙炔分子为研究对象,采用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法,对基于石墨烯电极的齐聚苯乙炔分子器件整流特性进行了研究,系统地分析了官能团对分子器件整流特性的影响.通过研究发现,官能团对齐聚苯乙炔分子器件整流特性影响显著,当添加失电子官能团氨基(NH_2)时出现正向整流,添加得电子官能团硝基(NO_2)时出现反向整流,当同时添加氨基和硝基官能团时,会出现正反向整流交替现象,研究结果表明通过添加不同类型的官能团能有效控制分子整流器的整流特性.     

溶液pH对羟基苯硫酚同分异构体脱羟基反应影响的SERS研究

金属纳米结构因表面等离激元(SPR)而产生光学增强和催化效应已成为表面科学研究热点之一。SPR和电化学联用可以诱导催化一些非常规反应,并且不同pH值电解质溶液可改变表面吸附分子的存在形式,影响SPR光催化反应。以羟基苯硫酚的同分异构体为探针,采用电化学表面增强拉曼光谱(SERS)研究了取代基羟基位置、溶液pH值等对其在银电极表面吸附和SPR催化反应行为。结果表明,不同羟基取代基位置的羟基苯硫酚SPR催化脱羟基反应对溶液pH值的敏感程度不同,邻羟基苯硫酚(OHTP)的C—O键谱峰强度的变化与溶液pH值相关,其O端更易与金属作用而吸附在表面,且随pH增大而增强。对羟基苯硫酚(PHTP)在碱性条件下被完全抑制的脱羟基反应在间羟基苯硫酚(MHTP)和OHTP中均可发生。MHTP在中性(pH 7)溶液中SPR催化脱羟基反应效率最高,约为酸性(pH 2)的1.36倍,碱性(pH 12)的2.70倍。OHTP在碱性(pH 12)溶液中SPR催化脱羟基反应效率最高,约为酸性(pH 2)的13.71倍,中性(pH 7)的4.95倍。SPR催化脱羟基主要源于非去质子化条件以及形成Ag—O键这两种途径。酸性条件下MHTP及OHTP的脱羟基反应主要是未去质子化的羟基反应,碱性条件主要因去质子化后形成Ag—O键所致。中性条件下,两种贡献同时发生。对MHTP而言,由于位阻效应仅部分分子去质子化后形成Ag—O键而促进SPR催化脱羟基,因此pH 7溶液中两种效应的同时作用导致催化效率最高。对于OHTP分子,去质子化状态的O端更易与电极表面发生作用,且pH升高羟基呈现的去质子化程度更加彻底,更有利于发生脱羟基反应,在pH 12溶液中脱羟基反应主要由于形成Ag—O键,其效率亦最高。同分异构体结构以及介质酸碱度对SPR催化脱羟基反应的研究对于拓宽SPR催化反应类型及从分子水平解析其机理具有重要意义。     

以石墨烯为电极的有机噻吩分子整流器的设计及电输运特性研究

传统硅基半导体器件受到了量子尺寸效应的限制,发展分子电子学器件有可能解决这一难题.本文提出了由石墨烯电极和有机噻吩分子相结合构造分子器件的思想,建构了"石墨烯-噻吩分子-石墨烯"结构的分子器件,并运用非平衡态格林函数结合密度泛函理论的方法研究了其电输运特性.系统地分析了电子给体"氨基"和电子受体"硝基"两种取代基的位置对有机噻吩分子电输运的影响.计算表明,有机噻吩二聚物被"氨基"和"硝基"取代后会产生明显的负微分电阻效应和整流效应.进一步对产生这些效应的物理机制进行分析,发现氨基的位置可以调整负微分电阻的强弱,硝基的位置可以改变整流的方向.     

溶液酸碱性对异构体氨基酸单分子膜影响的表面增强拉曼光谱研究

利用表面增强拉曼(SERS)光谱技术研究比较了在粗糙化银电极表面吸附的亮氨酸与异亮氨酸自组装单层膜结构以及溶液酸碱性对分子吸附作用的影响。研究表明在粗糙化银电极表面两种氨基酸分子主要是以COO-为作用位点进行吸附的。进一步的研究也揭示溶液pH值的变化没有显著改变两种氨基酸分子在银电极表面以去质子化羧基吸附为主的特征,但对于羧基吸附作用的影响程度及其变化规律是迥异的,对氨基的影响也有一定的差异。     

氧氟沙星甲基化物的核磁共振波谱研究

结合1H NMR,13C NMR,DEPT,HSQC,HMBC谱和碳氟偶合裂分行为, 对氧氟沙星(ofloxacin, OFL)哌嗪部分的甲基化产物-甲基氧氟沙星(methyl-ofloxacin,Me-OFL)的结构进行归属,并探讨了Me-OFL在酸性及碱性溶液中的1H和13C谱的变化。碱性溶液中, 5H的化学位移较酸性向高场移动1.02, 推测此变化与形成C—H…O弱氢键有关。6C、13C、羰基碳7C和羧基碳15C分别向低场位移12.04,7.46,4.33,2.88 ppm, 推测此变化与羧基和羧酸根的转变有关。另外, 还比较了OFL哌嗪环4’N上质子化产物与烷基化产物的正电荷分布。当哌嗪环质子化形成季铵盐时,正电荷分布在氢原子上;当其烷基化形成季铵盐时, 正电荷分布在氮原子上。     

分子线的伏-安特性研究

利用密度泛函理论计算了共扼分子2-氨基-5-硝基-1, 4-二乙炔基-4′-苯硫醇基苯的电子结构, 并利用弹性散射格林函数方法研究了该分子与金表面形成的分子线的伏-安特性. 该工作将有利于未来分子电子学器件的设计.     

C59N单分子整流器

通过将单个C59N分子置于双势垒隧道结中，从而利用单电子隧穿效应和C59N分子的特殊能级结构，我们成功地实现了一种新型的单分子整流器件．实验中这个整流器件的正向导通电压约为0．5-0．7V，反向击穿电压约为1．6—1．8V．理论分析表明，中性C59N分子的半占据费米能级以及在不同充电情况下费米能级的不对称移动是形成整流效应的主要原因．其构成原理也决定了该器件具有稳定、易重复的特点．     

杜醌自由基光化学路径的CIDEP研究

用自制的高时间分辨电子自旋共振波谱仪,测量得到了酸性、碱性和胶束环境下的光解杜醌/乙二醇(DQ/EG)溶液瞬态自由基的化学诱导动态电子自旋极化(CIDEP)谱.在光解均相DQ/EG溶液时,观察到了以增强发射的的中性杜半醌自由基(DQH.)的CIDEP信号;在碱性环境下(pH=9)和TX-100胶束环境下光解DQ/EG体系时得到杜醌负离子自由基(DQ-.)的CIDEP信号;在酸性环境下(pH=2.5)光解DQ/EG体系时,出现的又是中性杜半醌自由基(DQH.)的CIDEP信号.实验结果显示,DQH.由3DQ*与EG之间的氢原子转移反应生成,DQ.-由DQH.的去质子化反应生成,反应中伴随着极化转移.     

质子化改性壳聚糖吸附硫酸根行为及其光谱分析

壳聚糖(CTS)具有活性基团氨基和羟基,可用作吸附剂。在酸性介质中其氨基容易质子化形成氨基正离子,具有吸附阴离子的能力,同时也导致吸附剂的溶解流失;进行交联处理可提高吸附剂的酸稳定性,但也导致吸附性能的下降。因此可进行氨基保护后进行交联以改善其酸溶液稳定性,再脱去氨基保护剂进行质子化处理以获得较好的对阴离子的吸附性能。以甲醛为氨基保护剂,戊二醛为交联剂,通过反相悬浮法制得交联壳聚糖(CCTS),对其进行质子化制得质子化改性壳聚糖吸附剂(P-CCTS),并首次将该吸附剂用于处理水溶液中的硫酸根离子。通过静态吸附实验,考察了质子化改性壳聚糖对硫酸根的吸附性能;利用X射线能谱元素分析(EDS)和红外光谱分析(FTIR)对该吸附剂的制备以及对硫酸根离子的吸附过程进行了表征,探索了交联反应和吸附反应的发生机理。实验结果表明：质子化改性壳聚糖吸附剂与交联壳聚糖相比,其对硫酸根离子的吸附性能提高了约10倍;甲醛、戊二醛的醛基与壳聚糖的交联反应主要发生在的氨基(—NH₂)和部分一级羟基(C₆—OH)上;质子化过程中交联壳聚糖的氨基与质子化剂形成了氯化壳聚糖氨盐;对硫酸根离子的吸附则主要是质子化氨基上氯离子与硫酸根离子的交换作用。     

电场对分子线电子结构的影响

从第一性原理出发,利用密度泛函理论计算了分子2-氨基-5-硝基-1,4-二乙炔基-4-苯硫醇基苯与金原子团形成的分子线的电子结构,从轨道、能级及吸附电子三个方面讨论了电场对分子线电子结构的影响.该工作将有利于未来纳米电子学器件的设计.     

Molecular rectification of thiol-linked Au|PTCDI-[CH2]n|Au junctions

The electronic transport properties of the PTCDI-[CH₂]_n(0≤n≤6) molecular junctions with different molecular lengths are theoretically investigated via the first-principles density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green's function (NEGF) method. Our results show that the transport properties depend on molecular lengths. The equilibrium conductance of the probed systems decreases exponentially with the increasing number n of the CH₂ unit. With n≥1, the rectifying effect has been found. In the n=6 case, a significant rectification ratio of 72.6 is achieved at the bias of ±2.1 V in our probed voltage range. The rectification effect arises from asymmetric molecular structures. Our results suggest these molecules have great potential application in the molecular-scale device.     

光致异构体开关特性的理论研究

利用弹性散射格林函数方法,对4,4-二羧基1,2-二苯乙烯分子的两种异构体与金电极构成的单分子结进行了研究. 研究表明,该类分子是通过末端羧基化学吸附于金表面的,两种分子结电导特性的差异主要是因为分子与电极的相互作用所致. 对每一种分子来说,都存在三种不同的稳定电导值,分别对应着分子末端与金表面的不同接触方式. 分子与金表面的相互作用导致分子结电子结构的变化是其电导差异的主要原因. 理论结果与实验测量结果符合得较好. 关键词： 光致异构体 伏安特性 电子输运 分子电子学     

Effect of crystallographic orientations on transport properties of methylthiol-terminated permethyloligosilane molecular junction

The understanding of the influence of electrode characteristics on charge transport is essential in the field of molecular electronics. In this work, we investigate the electronic transport properties of molecular junctions comprising methylthiol-terminated permethyloligosilanes and face-centered crystal Au/Ag electrodes with crystallographic orientations of (111) and (100), based on the ab initio quantum transport simulations. The calculations reveal that the molecular junction conductance is dominated by the electronic coupling between two interfacial metal-S bonding states, which can be tuned by varying the molecular length, metal material of the electrodes, and crystallographic orientation. As the permethyloligosilane backbone elongates, although the σ conjugation increases, the decreasing of coupling induced by the increasing number of central Si atoms reduces the junction conductance. The molecular junction conductance of methylthiol-terminated permethyloligosilanes with Au electrodes is higher than that with Ag electrodes with a crystallographic orientation of (111). However, the conductance trend is reversed when the electrode crystallographic orientation varies from (111) to (100), which can be ascribed to the reversal of interfacial coupling between two metal-S interfacial states. These findings are conducive to elucidating the mechanism of molecular junctions and improving the transport properties of molecular devices by adjusting the electrode characteristics.     

接触构型及电极距离对4,4’-二巯基二苯醚分子电输运性质的影响

利用从头计算方法和弹性散射格林函数的方法,对4,4'-二巯基二苯醚分子电输运特性的研究结果显示,分子与电极之间接触点的构型以及两电极之间的距离对4,4'-二巯基二苯醚分子的电输运性质都有很大影响.电流随电极距离的变化与耦合系数的变化存在着密切关系.分子末端硫原子处于金原子的顶位上时电流的开启电压很小,而处在金(111)面的空位上时约有1.0V左右电流禁区.与实验结果相比,硫原子更可能处在金(111)面的空位上方.     

六元杂环分子电学特性的理论研究

在第一性原理基础上，利用弹性散射格林函数方法，研究了六元杂环分子结2,5-哒嗪二硫酚 、2,5-吡嗪二硫酚和2,5-嘧啶二硫酚的电子输运特性，分析了终端原子的选取对杂环分子吡 啶电学特性的影响. 利用分子前线轨道理论和微扰方法定量地确定了分子与金属的相互作用 能参数. 计算结果表明，2,5-哒嗪二硫酚具有较好的电学特性，而2,5-嘧啶二硫酚在外加电 压较低时电导值比较小. 对于吡啶分子，选取硒原子作为终端原子时，其导电特性优于分别 以氧原子和硫原子作为终端原子的情况. 关键词： 六元杂环分子 伏安特性 电子输运 分子电子学     

Au-Si_(60)-Au分子结电子输运性质的理论计算

运用密度泛函理论对Si60团簇的结构进行几何优化,得到基态结构是一个直径为1.131 nm,平均键长为0.239 nm,分子最低未占据轨道与最高占据轨道能量差即能隙值为0.72 eV,具有C1点群的空心笼状结构.然后把它与两半无限的Au(100)-4×4电极相连构成Au-Si60-Au三明治结构分子结点,运用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法对其电子输运性质进行了第一性原理计算.当两电极的距离为1.74 nm时,分子结点的平衡电导为1.93G0(G0=2e2/h),然后在-2.0—2.0 V的电压范围内,计算了不同电压下的电导与电流,得到其I-V曲线成近线性关系,从分子前线轨道与透射谱分析了Si60分子的电子输运特性,讨论了电荷转移量与电导之间的关系.     

单硫醇分子结的几何结构和电输运性质:压力效应与末端基团效应

利用杂化密度泛函理论,研究了以甲基、醇基、羧基为末端基团的烷烃硫醇分子与金电极形成分子结的过程,得到了分子结的几何结构与外加压力的关系. 并在此基础上,利用弹性散射格林函数方法研究了烷烃硫醇分子的电输运性质. 研究结果表明,对于C₁₁S分子来说,当两电极距离大于2.1 nm时,该分子结断裂;对于C₁₁SOH和C₁₀SCOOH来说,相应的分子结断裂的电极距离基本相同(2.15 nm). 在相同的外加压力(4.0 nN)下,C_{11关键词： 压力 末端基团 烷烃硫醇分子 电输运性质}     

金纳米线接触构型相关的双重负微分电阻与整流效应

运用第一性原理密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法, 研究了[111]Au纳米线与1, 4-二硫苯酚(DTB)构成的分子结的电子输运性质. 构建并优化不同的Au-DTB接触构型, 计算发现: 尖端顶位构型最利于电流输运; 非对称构型大多具有很好的整流特性(最大整流比为25.6); 部分结构出现双重负微分电阻(NDR)效应. 分析表明, 整流效应主要源于非对称接触构型两端S-Au键的稳定性差别; 尖端金原子与硫原子的耦合能级中, 近费米面的能级对低压区电子传输起主要作用; 电压增大, 离费米面较远的能级对输运起主导作用, DTB的本征能级也逐渐参与, 这一转变致使电流出现两峰一谷的双重NDR效应.