苯胺類分子器件電學(xué)特性的理論研究.pdf

1、單分子科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展推動(dòng)了分子電子學(xué)的飛速發(fā)展。利用單分子來構(gòu)建具有各種特殊功能的電子器件已經(jīng)成為納電子學(xué)領(lǐng)域的前沿研究課題之一。近年來，單分子科學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)上都有了很大的發(fā)展，而對(duì)單分子器件的研究和對(duì)其電學(xué)特性的測(cè)量已經(jīng)成為分子電子學(xué)研究的重要內(nèi)容。本文研究了一類分子器件結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系以及影響分子器件性質(zhì)的相關(guān)因素，討論了分子長(zhǎng)度及分子構(gòu)造對(duì)分子器件電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響。 目前，分子電子學(xué)領(lǐng)域研究較多的是以苯環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單

2、元的芳香族有機(jī)化合物，因?yàn)楸江h(huán)結(jié)構(gòu)的分子中具有能夠在分子中自由移動(dòng)的π電子。同時(shí)在終端原子的選取上，研究較多的是利用硫醇或者異氰基或者氰異基與金屬電極相連，形成分子結(jié)。然而，當(dāng)終端基團(tuán)采用氨基與金屬電極相連時(shí)，Latha Venkataraman等人發(fā)現(xiàn)在溶液中通過金的點(diǎn)接觸斷裂法形成的分子結(jié)會(huì)呈現(xiàn)出更可靠和更重復(fù)的電導(dǎo)值，這樣就減少了電導(dǎo)值的變化，從而能確定某特定分子結(jié)中電導(dǎo)的平均值，以便人們更好地研究分子特性對(duì)分子結(jié)電導(dǎo)的影響。

3、 分子的電子結(jié)構(gòu)直接決定著分子的電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)分子與電極相連時(shí)，分子與金屬表面的相互作用是通過分子的分子軌道和金屬原子團(tuán)簇的軌道之間雜化實(shí)現(xiàn)的，雜化的結(jié)果使原來各部分的軌道發(fā)生耦合，形成新的分子軌道。在這些分子軌道中，部分軌道擴(kuò)展于金屬原子團(tuán)和有機(jī)分子之中，正是它們?yōu)殡娮拥妮斶\(yùn)提供了通道，而其它的軌道只局域于擴(kuò)展分子的某一部分之中，它們對(duì)電子的輸運(yùn)基本沒有貢獻(xiàn)。因此，分子器件的電輸運(yùn)性質(zhì)與分子的電子結(jié)構(gòu)以及分子與電極的相互作用密切相關(guān)

4、。 我們?cè)诘谝恍栽淼幕A(chǔ)上，利用彈性散射格林函數(shù)方法和密度泛函理論，對(duì)終端基團(tuán)為氨基苯胺類分子的電子輸運(yùn)特性進(jìn)行了理論研究。為了研究電極和自由分子的相互作用，選用有限個(gè)金原子組成的金原子團(tuán)簇來模擬電極，有機(jī)分子處于兩金原子團(tuán)簇中間，形成了金屬原子團(tuán)簇一有機(jī)分子-金屬原子團(tuán)簇三部分構(gòu)成的擴(kuò)展分子體系。論文主要研究了三類終端基團(tuán)為氨基苯胺類分子結(jié)的電子輸運(yùn)特性。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于一系列含有較少苯環(huán)的分子1，4-diaminoben

5、zene(C6H8N2)，4，4’-diaminobiphenyl(C12H12N2)，4,4"-diamino-P-terphenyl(C18H16N2)，在非共振散射區(qū)域，分子結(jié)的電導(dǎo)隨分子長(zhǎng)度呈現(xiàn)指數(shù)衰減關(guān)系，且衰減因子13值為1.88/phenyl。對(duì)苯環(huán)上有不同取代物的聯(lián)苯分子，4.4'-diaminobiphenyl(C12H12N2)，4，4'-diamino-2-methyl-biphenyl(C13H14N2)，4,4

6、'-diarninooctafluorobiphenyl(C12H4N2F4)，，4'diamino-2，5，2'，5' tetrachlorobiphenyl(C12H8N2Cl4)，來說，聯(lián)苯分子中的兩個(gè)苯環(huán)之間存在一個(gè)扭轉(zhuǎn)角，且該扭轉(zhuǎn)角大小與苯環(huán)上氫原子的取代物有關(guān)。該系列分子結(jié)的電導(dǎo)隨著兩個(gè)苯環(huán)之間扭轉(zhuǎn)角的增加而減少，并且呈現(xiàn)出一個(gè)余弦平方的關(guān)系。理論結(jié)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好。 同時(shí)我們選取含有不同取代物的對(duì)苯二胺類

7、分子tetrafluoro-1，4-diaminobenzene (C6H4N2E4)，2-fluoro-1，4-diaminobenzen e(C6HyN2D，2-chloro-1，4-diaminobenzene (C6H7N2C1)，2-bromo-1，4-diaminobenzene(C6H7N2Br)，1,4-diaminobenzene(C6H8N2)，2,5-dimethyl-1，4-diaminobenzene(C6H1

8、2N2)，2-methoxy-1，4-diaminobenzene(C7H10N2O)作為研究對(duì)象，計(jì)算結(jié)果表明該系列分子結(jié)的電導(dǎo)與電離能的大小有關(guān)，并且隨著電離能的增大而減少，理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論符合的較好。 本論文共包括七章內(nèi)容：其中第一章是綜述部分，主要從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度綜合介紹了分子電子學(xué)的當(dāng)前發(fā)展情況；第二章介紹了密度泛函理論，以及我們?cè)趹?yīng)用密度泛函理論時(shí)基函數(shù)的選取問題；第三章則對(duì)本工作中研究分子結(jié)的