發(fā)布時間：2019-11-02 22:09

【摘要】：利用基于非平衡格林函數(shù)和密度泛函理論相結合的第一性原理計算方法,研究了一種可旋轉分子跨接在金電極上的電子輸運性質。計算結果表明:分子中的轉子與定子間的旋轉角度可以有效調控分子器件的電子輸運性質。當夾角從30°變化到150°,分子器件的導電性呈現(xiàn)出增強、減弱的震蕩變化。此外,當夾角變化到90°,分子器件的電流電壓曲線打破其他角度呈現(xiàn)的線性變化特性,其電流值在2.4 V以后隨著電壓的增大而減小,表現(xiàn)出強烈的負微分電阻效應。
【圖文】：

嶝嘞傭釬氏殖霾鉅旌艽蟮牡繾郵湓誦?質20－23�？傊�，分子器件的結構是決定其電子輸運性質的重要因素之一。為了進一步探究分子構型變化與其電子輸運性質的聯(lián)系，本文選取了一種分子構型可以在紫外光照射下發(fā)生旋轉的有機分子作為研究對象，并將其跨接在金電極之間構成分子器件。然后，模擬計算分子中轉子相對定子旋轉到不同角度后分子器件的電流－電壓特性。通過對實空間靜電有效勢、輸運透射譜、前線軌道的投影自洽哈密頓量空間分布的分析，得出轉子旋轉對分子器件電子輸運性質影響的物理機理。2模型和方法圖1為我們模擬的有機分子通過硫原子與3×3的金(111)面電極所構成的分子器件示意圖。三層金原子被選為z方向的電極周期單位，而x、y兩個方向電極周期單元包含很大一部分真空層，避免分子旋轉時與鄰近晶包內的分子發(fā)生相互作用。這種電極構型在之前很多理論研究工作中被采用24,25。整個器件分為三個部分：左電極、右電極以及中心散射區(qū)。中心散射區(qū)包含了分子與左右金電極的各兩層原子。其外部的Kohn-Sham勢設定為左、右電極的塊體勢，并且可以通過獨立的計算。因此，該勢為中心散射區(qū)提供了一個自然的實空間邊界條件。有機分子由芴分子(定子)和由萘分子和苯分子共同組成的立體分子(轉子)通過碳碳雙鍵連接構成，見圖1中間的分子結構。這種分子已經(jīng)被相關實驗報道證實可以在波長為365nm的紫外光照射下發(fā)生光致異構變化26,27。其轉子部分可以繞著碳碳雙鍵形成的轉軸相對于定子發(fā)生旋轉。旋轉后的分子在加熱后仍然可以恢復到原來的構型。隨后，Torras小組28通過理論計算得到單分子在不同旋轉角度下的能量差。發(fā)現(xiàn)體系的能量在轉子旋轉角度達到90°時最高。當旋轉角度超過90°后，體系能量又逐漸降低。同

ΓL,R=i(∑L,RR(E)－∑L,RA(E))為展寬函數(shù)，∑L,RR(E)和∑L,RA(E)為左右電極對散射區(qū)的自能。本文中器件幾何結構的優(yōu)化、電子結構和電流－電壓特性的計算全部是利用基于非平衡格林函數(shù)和密度泛函理論相結合的第一性原理計算方法(ATK軟件)31,32。整個分子與硫原子的價電子軌道的基函數(shù)設定為DZP(雙ζ+極化)，金原子的價電子軌道的基函數(shù)則設定為SZP(單ζ+極化)。為了平衡計算精度和計算時間，我們選取截斷能為150Ry，交換關聯(lián)泛函采用的是局域密度近似(LDA)。3計算結果與討論圖2為器件M1－M5的靜電勢在實空間有效勢對比圖。從圖中可以清楚地看到位于器件中心散射區(qū)的分子電勢最低，左右兩個金電極的電勢居中，而分子與電極周圍的空間內電勢較高。當分子中轉子相對于定子發(fā)生轉動時，轉子周圍的電勢隨之發(fā)生變化。但是分子中定子部分和左右金電極的電勢沒有發(fā)生明顯的變化。這說明轉子旋轉對整個分子器件體系的靜電有效勢改變不大。我們還分別計算了器件M1－M5的總能量，分別為－82453.1、－82444.7、－82436.6、－82445.3和－82455.9eV�？偰芰康淖兓厔菖c先前的研究報道吻合，器件M3的總能量最高，而器件M1和M5的能量最低28,29。另一方面，該分子器件的總能變化比以往其他同類分子器件的總能變化大。第一個原因是該分子中轉子的尺寸較大，原子數(shù)較多。在外界條件激勵下，整個轉子相對定子發(fā)生旋轉，所以不同轉角狀態(tài)下能量差異大。第二，與其他分子結構變化較小或者僅是個別原子移動的情況相比，，該分子轉子相對定子發(fā)生旋轉時，二者的相互作用區(qū)域變化明顯導致總能變化很大。此外，我們仔細分析了總能的構成，其中動能在不同轉角下的變化較大，而靜電能差異很小，與得到的靜?

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本文編號：2554728