有机分子电子输运性质的计算与分析

从第一性原理出发,采用杂化的密度泛函理论和弹性散射格林函数法,计算有机分子4,4'-二巯基二苯醚分子的电子结构并研究其电子输运性质.计算结果表明,电场对分子系统电子结构有明显的影响,电流、电导表现为非线性变化,与不考虑电场作用时相比,更为接近实验结果.     

电极距离对分子器件电输运特性的影响

以4,4′_二巯基联苯分子为研究对象，利用从头计算方法和弹性散射格林函数理论，研究了两个电极之间的距离对分子几何结构和电子结构以及该分子结电输运性质的影响. 计算结果表明，电极距离的不同会改变分子的几何结构和电子结构，从而影响分子体系的电输运特性. 扩展分子的平衡状态不是电子输运的最佳状态，适当调整两个电极之间距离可以改善分子的电输运特性. 关键词： 电极距离 伏 安特性 分子电子学     

1,4-丁二硫醇分子器件电输运性质的力敏特性研究

基于杂化密度泛函理论,研究了1,4-丁二硫醇分子体系的结构随电极作用力的变化及拉断过程;并利用弹性散射格林函数方法进一步计算了不同电极作用力下分子体系的电输运特性.结果显示,界面结构不同,拉断分子体系所用的拉力也不同:分子末端硫原子处于Au(111)面的空位上方时,拉断分子体系需约1.75 nN的拉力;若金电极表面存在孤立金原子与1,4-丁二硫醇分子末端的硫原子相连,拉断分子体系只需约1.0 nN的力,且伴有孤立金原子被拉出.两种情况分别与不同实验测量相符合.分子在压缩过程中发生扭曲并引起表面金原子滑移,然而压缩扭曲过程与拉伸回复过程不可逆.电极拉力约为0.7—0.8 nN时,分子体系在不同界面构型下以及在不同扭转状态下,电导都出现极小值,这与实验结论一致.分子的末端原子与电极间耦合强度随电极作用力的变化是引起分子体系电导变化的主要因素.实验在0.8 nN附近同时测得较小概率的高电导值与双分子导电有关.     

有机分子结构对其电输运性质的影响

利用从头算理论和弹性散射格林甬数的方法,对有机分子1,4.苯二硫酚(benzene-1,4-dithiol)、4,4二巯基联苯(4,4-biphenyldithiol)、4,4:二巯基联苯醚(bis-(4-mercaptonphenyl)-ether)以及对苯二甲氰(1,4-phenylene diisocy-anide)的电子输运性质进行了理论研究和比较分析.结果显示前三种巯基分子在开启电压位置、电导的平台效应和电流的线性响应等方面有相似性,其中1,4-苯二硫酚分子的电输运性能优越于其他两个分子,但氰基分子对苯二甲氰却有较明显的区别.     

分子和金表面相互作用的第一性原理研究

硫氢官能团可以很强地吸附于金表面上,从而可作为连接体用于纳米电子学中的分子器件.从第一性原理出发利用密度泛函理论研究了4,4′二巯基联苯分子和金表面的相互作用,并利用了前线轨道理论和微扰理论定量地确定了该相互作用能常数.计算结果表明,当含有硫氢官能团的有机分子化学吸附于金表面时,硫原子将与金原子形成以共价键为主的混和键,此时一些分子轨道扩展于金原子和有机分子中,这些轨道为分子结中电子的输运提供了通道,从而可使分子线的电导呈现出欧姆特性.而其他分子轨道具有局域性,此时电子的输运只能通过隧道效应来实现. 关键词： 化学吸附 分子线 分子电子学     

不同取向的1,8-辛二硫醇分子的伏安特性研究

以1,8-辛二硫醇分子为研究对象,在第一性原理基础上,利用弹性散射格林函数方法,研究了1,8-辛二硫醇分子在金原子团簇上不同取向对该分子结电输运特性的影响.计算结果表明,分子与金原子团簇表面之间方位角的不同会导致分子结构、电子结构的改变,从而影响分子体系的电输运特性.当1,8-辛二硫醇分子S-S轴线与金(111)面的法线成25°夹角时,所得到的电流-电压曲线与实验值符合较好.     

金电极与吡啶末端连接界面结构的力学变化过程理论研究

利用基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法计算了4,4’-二吡啶分子与不同构型金电极之间的作用过程,研究了分子在外力作用下逐渐远离金电极过程中分子与电极间界面结构特有的演化过程以及体系能量与作用力的变化特征.结果显示,分子在远离锥形电极过程中很容易出现近于垂直地连接到锥形电极第二层金原子上的特有连接构型,同时由于吡啶末端的排斥作用,电极尖端的金原子偏向一侧.分子从第二层金原子上断开并连接到尖端金原子上需要1.3—1.5 nN的拉力作用,明显大于分子从尖端电极上断开所需要的0.8—1.0 nN的作用力,从而揭示了实验中二吡啶分子结在形成过程中作用力与界面构型变化之间的对应关系.4,4’-二吡啶分子与平面金电极的作用较弱,只需要不到0.5 nN的作用力就可断开,而当分子连接到吸附在平面电极表面的孤立金原子上时,可以承受约1.7 nN的作用力.以上研究表明基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法不仅可以揭示分子与电极之间的界面结构演化过程,而且通过作用力的计算可以很好地识别实验中分子与电极间的特有界面结构.     

4,4’-对苯巯基醚分子器件的几何结构及其电学性质的研究（英文）

从第一性原理出发,用弹性散射格林函数的方法计算了4,4-对苯巯基醚分子器件几何结构的变化对其电子结构及其电学性质的影响.计算结果表明,选择不同的电极间距会引起电子输运峰的高度和分子与电极的耦合程度的变化,同时也对分子电流和电导的开启位置有较小的影响,进而使分子体系的电输运性质表现各异     

金属电极对有机分子非弹性电子隧穿谱的影响

利用第一性原理计算金属电极下1,6-己二硫醇和1,4-二巯基苯分子结的非弹性电子隧穿谱,发现非弹性电子隧穿谱对金属电极的变化十分灵敏,并且非弹性电子隧穿谱的振动峰位置和强度与硫原子和金属电极表面的距离密切相关.结果表明电极材料和分子与金属成键的情况是影响分子结的非弹性电子输运的重要因素.理论分析进一步表明不同金属电极和有机分子的耦合能不同导致了谱峰强弱的调整.     

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     

Effects of Contact Atomic Structure on Electronic Transport in Molecular Junction

Based on nonequilibrium Green＇s function and first-principles calculations, we investigate the change in molecular conductance caused by different adsorption sites with the presence of additional Au atom around the metal- molecule contact in the system that benzene sandwiched between two Au（111） leads. The motivation is the variable situations that may arise in break junction experiments. Numerical results show that the enhancement of conductance induced by the presence of additional Au is dependent on the adsorption sites of anchoring atom. When molecule is located on top site with the presence of additional Au atoms, it can increase molecular conductance remarkably and present negative differential resistance under applied bias which cannot be found in bridge and hollow sites. Furthermore, the effects of different distance between additional Au and sulfur atoms in these three adsorption sites are also discussed.     

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.     

电极构型及其耦合模式对有机分子电输运性质的影响

选取两种不同的电极构型及其耦合模式,利用从头算理论和弹性散射格林函数的方法,对有机分子对苯二甲氰的电输运性质进行理论研究和对比分析.计算结果表明,不同构型及其耦合在分子的耦合属性、电子输运谱、开启电压位置、电导平台的分布以及电流的响应等方面存在明显不同,改变电极间距也会对各种构型分子体系的耦合系数、电导平台高度和电流的大小产生影响.     

Au电极连接富勒烯C32分子的电子结构与传输特性

采用基于密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)的第一性原理方法对富勒烯C₃₂分子及在C₃₂分子的距离最远的两个碳原子处连接Au(1,1,1)电极的分子器件进行了电子结构和电子输运性质的研究.考虑到中间分子与Au电极间距离变化的情况,通过计算得出了在不同距离下分子器件的电子传输谱和I-V特性,分析了各器件的电子结构和电子输运特性产生的原因,并分析了电极与中间分子的连接距离及门电压对分子器件电子输运的影响.得出了电极与所连接的中间分子之     

硫醇自组装分子膜末端基团对其电荷输运特性的影响

在金(111)表面组装了具有不同末端基团的硫醇单层分子膜，并利用导电原子力显微镜研究了分子膜的电输运性质，发现不同末端基团的分子自组装膜的导电能力有明显差别.结合X射线光电子能谱，研究了末端基团中碳原子的结合能与相应硫醇分子电导的关系.结果表明不同末端基团分子膜导电能力的差别可归结为末端基团碳原子电子结合能的差异.结合能越高，末端基团电子的局域化程度越强，导致电子有效注入分子主链的势垒越高，从而减弱了分子膜对电子的输运能力.此外，实验还发现不同末端基团的硫醇单层分子膜有不同的表面电势，导致分子膜电流电压特性曲线的零点产生偏离. 关键词： 分子自组装膜 输运特性 末端基团 导电原子力显微镜     

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     

Study on the electronic transport properties of the C14 monocyclic ring: The first-principles calculations

The transport properties of C₁₄ monocyclic ring sandwiched between two Al(1 0 0) electrodes are investigated by first-principle calculations. The variation of the equilibrium conductance as the function of the separation distance between the molecule and the electrodes is studied. C₁₄ monocyclic ring shows metallic behavior according to the calculated equilibrium conductance. Electron transmission occurs through the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). With gate-voltage applied, it is found that the positive and negative gate-voltages can bring very different effect on the variation of equilibrium conductance. We also calculate the effects of adsorbing other atoms on the carbon ring such as oxygen and sulfur atoms. The results indicate that adsorption of this kind of electron-accepting impurity will decrease the conductance of the system.     

Conductance of an ensemble of molecular wires: a statistical analysis

We report on a first principles analysis of quantum transport through molecular wires made of 4,4'bipyridine and 6-alkanedithiol contacted by Au electrodes. We investigate how charge transport is altered due to small structure changes at the molecule-electrode contacts. These changes include distance between the molecule and the contact, extra metal atoms at the Au surface, binding sites, molecular orientation, and bias voltages. By investigating hundreds of wires we extract a statistical picture on transport properties of the two different molecules. We compare quantitatively with the corresponding experimental data.     

苯基分子器件 量子相干输运第一性原理研究

摘要：分子器件在纳米尺度下,电子的相干性将对体系的电导产生重大影响。本文基于第一性原理计算研究了苯分子连接于一维金属电极下的电荷输运性质。发现一维金电极连接下,不同的连接方式（para与meta）体系下的电导将会有显著差别,而一维铂电极连接下,体系的电导差别不大。我们通过计算电极的能带,发现金电极与铂电极在费米面处的散射态数目有差别。 当量子相干效应导致散射态局域化发生改变时,由于铂电极的通道数较多,电子依然可以通过扩展的通道输运,因此不同连接方式下的电导变化不明显。