對分子器件電子自旋輸運(yùn)性質(zhì)的模擬及調(diào)控,已經(jīng)成為分子自旋電子學(xué)的主要研究方向之一�；陔娮幼孕A性,可以設(shè)計具有自旋過濾、自旋閥和分子開關(guān)等功能的電子自旋分子器件。卟啉分子因具有環(huán)型共軛平面結(jié)構(gòu),內(nèi)環(huán)中心可與金屬配位生成金屬卟啉而廣受研究者青睞。本文基于第一性原理計算方法,對分子連接構(gòu)型和過渡金屬原子替代的鉻卟啉分子電子自旋輸運(yùn)特性進(jìn)行了計算分析和研究,得到了自旋過濾、開關(guān)效應(yīng)等有趣的電子輸運(yùn)性質(zhì)。主要研究內(nèi)容如下:第一章簡單介紹了硅基半導(dǎo)體工藝發(fā)展的局限性和分子器件研究進(jìn)展以及分子整流效應(yīng)、負(fù)微分電阻效應(yīng)、自旋過濾效應(yīng)等電子輸運(yùn)性質(zhì),介紹了苯分子和卟啉分子及酞菁分子結(jié)構(gòu)與理論研究現(xiàn)狀。第二章介紹了第一性原理計算方法,對本文研究相關(guān)軟件進(jìn)行了簡要介紹。第三章研究了鉻卟啉分子四種連接方式(β位對角連接、β位和中位錯角連接、β位頂角連接、中位水平連接)與平面金電極組成雙探針體系的電子自旋輸運(yùn)性質(zhì)。研究結(jié)果表明,對角連接鉻卟啉分子在(0~0.4V)偏壓區(qū)間內(nèi)電子自旋極化率為87%,在(0~0.2V)偏壓區(qū)間內(nèi)電子自旋極化率甚至高達(dá)95%以上;錯角連接鉻卟啉分子在(0~0.34V)偏壓區(qū)間電子自旋極化率僅為85%,這兩種連接構(gòu)型都表現(xiàn)出電子自旋向下的金屬導(dǎo)電行為和自旋向上被抑制,器件呈現(xiàn)半金屬性。水平連接構(gòu)型的鉻卟啉分子電子自旋都呈金屬線性導(dǎo)電行為,相比其它連接構(gòu)型有著優(yōu)異的導(dǎo)電性能,電流比對角連接高約1個數(shù)量級。從前線分子軌道能量值和能量差可知,改變鉻卟啉分子連接構(gòu)型,不會改變鉻卟啉分子的半導(dǎo)體導(dǎo)電本質(zhì)�？梢酝ㄟ^改變中心分子不同末端原子連接構(gòu)型,改變前線分子軌道空間分布的離域程度,從而實現(xiàn)自旋過濾效應(yīng),進(jìn)而對基于不同連接構(gòu)型的鉻卟啉分子器件電子自旋輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行有效調(diào)控。第四章研究了用同源過渡金屬(鈷、錳、釩)替代鉻金屬原子與卟啉分子絡(luò)合成金屬卟啉分子器件(鈷卟啉、錳卟啉、釩卟啉和鉻卟啉)電子自旋輸運(yùn)性質(zhì)。研究結(jié)果表明,對角連接的金屬卟啉在低偏壓下都存在著不同程度的自旋過濾現(xiàn)象。投影到金屬原子和金屬卟啉分子所有原子的投影態(tài)密度波峰出現(xiàn)的能量點基本一致,說明中心替代金屬原子的3d軌道能級與卟啉大環(huán)之間相互作用引起分子軌道能級重新分布,表現(xiàn)為金屬卟啉分子的前線分子軌道能量值差異極大,能量差也不一樣;從前線分子軌道投影自洽哈密頓量空間分布分析,金屬卟啉分子與電極的耦合很強(qiáng),其耦合程度由強(qiáng)變?nèi)跻来问清i卟啉、鈷卟啉和釩卟啉以及鉻卟啉。鈷卟啉分子電子自旋向下在外加偏壓為0.2V時呈現(xiàn)出一個顯著的開關(guān)行為,金屬卟啉的導(dǎo)電能力由強(qiáng)到弱依次是釩卟啉、錳卟啉和鈷卟啉及鉻卟啉。通過改變中心替代金屬原子,來改變前線分子軌道能量值和能量差,使靠近費米能級附近的輸運(yùn)透射系數(shù)差別值增大,自旋向上的電子與自旋向下的電子呈現(xiàn)出不同的伏安特性,從而有效調(diào)控金屬卟啉分子的電子自旋輸運(yùn)性質(zhì)。第五章是對全文的工作進(jìn)行總結(jié)和展望。
【學(xué)位單位】：吉首大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

運(yùn)特性為主要研究對象之一，挖掘其電學(xué)特性，并由此構(gòu)建電路，用以實現(xiàn)現(xiàn)有電子元件能達(dá)到的功能[4]。從 1980 年代開始，先后出現(xiàn)了許多典型的分子實驗技術(shù)和裝備，如掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy, STM5]、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）[6]和分子自組裝（Self-Assemonolayers, SAM）[7]及力學(xué)可控劈裂結(jié)（Mechanically Controllable Break JunctiCBJ）[8]等，極大地促進(jìn)分子電子學(xué)的迅速發(fā)展。1.3 分子器件研究進(jìn)展一般來說，分子器件是指由具有一定聲光電磁等性能的分子按一定的順序以實現(xiàn)某一特定功能的組織結(jié)構(gòu)。分子器件能在分子級別層面完成傳統(tǒng)電子的信息處理和能量轉(zhuǎn)換等功能[9]。1974 年，Aviram 和 Ratner[10]第一次在理論層面上提出了具有整流效應(yīng)和管行為的單分子器件構(gòu)想，開啟了分子器件研究的先河。1997 年，Reed 等人用了 MCBJ 技術(shù)第一次成功制備出了單分子器件（圖 1.1[11]）,并對其伏安特行了測量。

第 1 章 緒論的最低非占據(jù)態(tài)能級用 EL表示。在兩金電極加上偏壓就形成金－苯硫醇回路。當(dāng) EH或 EL界于兩金電極電子費米能級時，則有電流流過分子結(jié)明分子器件有兩種導(dǎo)電模式，即“空穴導(dǎo)電”和“電子導(dǎo)電”�？昭▽�(dǎo)導(dǎo)電為主，電子導(dǎo)電以 EL導(dǎo)電為主。根據(jù)對苯硫醇分子器件的理論研究可分子導(dǎo)電行為是通過自身分子能級實現(xiàn)的。所以，分子自身能級結(jié)構(gòu)和的耦合方式?jīng)Q定著分子器件的電子輸運(yùn)性質(zhì)。Reed 等人的實驗有力地證分子的電子輸運(yùn)導(dǎo)電性，展示出分子器件潛在的研究和應(yīng)用前景。一般化學(xué)手段或光電等物理方法來改變分子能級，以達(dá)到調(diào)控分子電流的目的美國科學(xué)家Ventra等人[12]在2000年通過完全自洽計算得到苯硫醇分子的曲線跟實驗曲線相符。2001 年，Taylor 等人[13]首先用密度泛函理論和非林函數(shù)（DFT-NEGF）的第一性原理方法計算得到碳納米管的電導(dǎo)曲線，于 DFT 和 NEGF 相結(jié)合的第一性原理計算框架，受到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可。Tao 等人[14]構(gòu)建了金電極與分子耦合的分子器件并測量了其電導(dǎo)(圖 1.2[

2005 年 Ho 等人[20]證明分子結(jié)偶極性決定其整流效應(yīng)。2013 年 Lei 等人[由鈷酞菁（CoPc）+釕（Ru）構(gòu)建的分子器件的整流效應(yīng)，從而產(chǎn)生了一于單個分子中單個軌道的整流效應(yīng)機(jī)制。.2 負(fù)微分電阻效應(yīng)在特定的外加偏壓下，電壓升高電流反而變小的現(xiàn)象就是負(fù)微分電阻egative Differential Resistance, NDR）。負(fù)微分電阻效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制是：左極上能級局域電子態(tài)匹配時，產(chǎn)生的共振隧穿電流，而不匹配時，電流。最大電流偏壓位置和電流峰谷值比是表征負(fù)微分電阻效應(yīng)的兩個常用參1999 年美國耶魯大學(xué)的 Chen 教授等人[22]通過自組裝技術(shù)把氨基和硝基苯基一次乙炔基低聚物(oligo phenylene ethynylene，OPE)分子沉積在兩個間，發(fā)現(xiàn)了負(fù)微分電阻現(xiàn)象，其峰谷比高達(dá)到 1030:1（圖 1.3[22]）；200inario 等人[23]利用密度泛函計算理論方法成功解釋了 OPE 分子非線性電 Fan 等人[24, 25]從實驗上論證了含硝氨基的 OPE 分子確實能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)微應(yīng)。
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本文編號：2870498