新型柔性纳米分子导线设计的理论研究

Due to the lack of good nano molecular wires, the difficulty to assemble molecular devices has become the bottleneck problem in the development of nano-electronics field. Aiming at the key issues in the designing of nano molecular wires, the proposed project will apply multi-scale theoretical methods to investigate the dependences of the electric conducting ability of nano molecular wires based on oligomers of arene-transition metal sandwich complexes on their size and interactions to environments and external forces. Quantum chemistry method density functional theory, molecular mechanics, Green's Function theory, and electron transport theory, will be integrated in this study. Simulation work will describe electron transport processes at the atomic level, and reveal the effect of some quantum phenomena such as Coulomb Blockade, quantum decoherence. Meanwhile, we will study the electronic structures and electric conducting behavior of nano molecular wire under external forces (straining or compressing). These information will help us find good nano molecular wires with flexible conformations and low conductance decay rates. This project will serve as a good start point for the theoretical design of nano molecular circuits, and contributes to the fabrication and application of nano electronic devices.

由于优秀的纳米分子导线的缺乏，分子器件的逻辑电路组装的困难已成为制约纳米电子学发展的瓶颈问题。针对纳米分子导线的导电能力对尺度的依赖，和其导电过程受到环境外力的影响这两个关键科学问题，本项目将发展和应用量子化学密度泛函理论、分子动力学、格林函数与非平衡态格林函数方法以及电子输运理论，围绕富勒烯-芳香烃-过渡金属所组成的低聚物分子导线的导电能力展开具体的多尺度模拟。在研究中将逐步理清分子导线的导电机制以及它所带来的一些量子效应，比如库伦阻塞、量子退相干等。将探索不同的分子导线对应力的响应特征，寻找导电能力对空间结构具备一定鲁棒性的并且能将能量传递得更远的柔性分子导线。通过理论研究建立纳米分子导线的设计原则，对未来的纳米分子电路的制造与应用具有实际意义。

由于优秀的纳米分子导线的缺乏，分子器件的逻辑电路组装的困难已成为制约纳米电子学发展的瓶颈问题。包括分子导线在内的分子器件是一种典型的复合结构材料。在过去的十多年里，科学家们一致认为分子与电极形成的界面是控制分子器件导电能力的关键；显然夹在电极之间的分子体系也会明显影响电子在分子结中的迁移。在该项目中我们以电子在复合结构中的迁移作为主要科学问题展开了具体的研究工作。这一问题的关键主要集中在两个方面，一是得到控制纳米复合结构材料的关键因素，协同不同组份的物理化学性质，使其光电性能得到提升；二是与实验表征建立直接关联，以期实现对纳米复合结构材料的理性调控。..针对这两个关键点，我们利用功函数的差异诱导电子转移在金属表面产生极化，设计了铂-钯-石墨烯三元堆叠结构促进析氢反应，为降低铂用量的同时增加析氢反应的效率打开了新的通道。利用电子在金-铂合金表面形成的电子态的整体效应，有效降低了甲酸氧化的反应势垒以及催化剂的一氧化碳中毒可能性。在理论上发现了氧化亚铜的不同晶面对载流子的不同聚集能力，在不同晶面上沉积钯晶粒形成的界面肖特基势垒与界面电荷的空间分离能力可以协同工作从而增加光生载流子的迁移率并得到了实验证实。我们还研究了g-C3N4与BiVO4复合结构对光学吸收能力的增强作用，并且在二者之间形成了内建电场阻止电子-空穴的复合。通过对电子结构的细致分析，我们也发现了电子转移同样导致了二茂铁在Cu(111)表面上随着外加电场的增强实现从地自旋态到高自旋态的转变。..另一方面基于不同的谱学模拟对局域电子结构进行探测，实现对不同纳米复合结构材料与器件特别是柔性分子器件的标记。结合软X射线的模拟，研究了含氮富勒烯及其衍生物的局域电子结构，并发现了K-边NEXAFS, XES, 以及XPS可以作为区分含氮富勒烯及其衍生物的标记，不同碳K-边光谱能提供不同含氮富勒烯衍生物的局域电子结构。通过非弹性隧穿光谱(IETS)，发现BPE分子器件导电能力随着氧原子键角的改变而发生明显改变，而IETS的强度随着键角的改变而线性改变，这使得利用IETS的高灵敏度探测微观分子器件结构成为可能。..我们也研究了掺杂以及共掺杂对BiVO4材料光电性质及对硼碳化合物的力学性质的影响；建立了水分子的粗粒化模型，用于准确描述水四聚体的静电特性，并准确地预测的大规模水分子的各种性质，如密度、介电常数等。