分子纳米结在绝缘体表面的几何和电子结构及其电子输运性质

近年来，以研究分子纳米结构几何和电子结构及其电子输运性质为核心的分子电子学蓬勃发展，成为表面物理、凝聚态物理和纳电子学交叉的一个新生学科。由于受到实验手段的限制，针对分子纳米结构几何和电子结构的研究主要集中在金属或导电性表面；而针对电子输运性质的研究主要局限于金属- - 分子- - 金属输运结的测量和计算，且测量和计算还存在较大差异。从潜在应用等多个角度出发，采用一种不导电表面支撑分子纳米结构是该领域的发展方向之一。.本研究的目标是基于两种有机功能分子和两种绝缘体表面构成的纳米结构，通过第一性原理计算和非平衡格林函数方法，结合部分原子力显微镜实验结果，给出金属和分子纳米结构在绝缘体表面的几种构型，从这些构型出发深入研究上述结构与绝缘体表面的电子相互作用机制，总结绝缘体表面对这几种结构电子态的影响，探索其电子输运性质，力求根据得到的电子态结构信息，以理解其输运特性的根源，并为今后的器件设计提供参考。

1、有机功能分子与绝缘体表面的相互作用机制.研究了PTCDA和C60两种分子在多种绝缘体表面的几何结构、热稳定性、和电子结构等。研究发现PTCDA分子与绝缘体NaCl/KBr等的主要相互作用机制为静电相互作用；C60分子与上述表面存在电子杂化，产生电荷重新分布后仍然存在静电相互作用。绝缘体NaCl/KBr对PTCDA的电子结构影响不大，但对高于HOMO的分子有一个往高能量方向的集体移动；而对C60分子则产生了明显的电子杂化。研究了不同绝缘体表面对PTCDA分子几何和电子结构的影响，总结了不同表面与分子吸附能、电子杂化程度之间的关系。研究发现，分子在表面的吸附能大小与其几何结构与表面的匹配程度高度相关；而电子杂化程度则与其表面的功函数和两种元素极性差有关。考察了表面台阶等缺陷对金属原子和分子稳定性的影响。探索了不同泛函对于绝缘体表面计算的适用性，构造了一种新交互泛函用于精确模拟绝缘体—分子界面。..2、其他国际热点问题.此外，项目还关注了其他国际热点问题，包括(1)在实空间观察到氢键等分子间相互作用，提出了适用于建立不同化学键的原子力显微成像机制及其差异来源的新理论，确认了氢键的部分共价性质；(2)研究了Si(111)表面的电子态形成、表面导电机制；(3) 发现改变石墨烯纳米带两侧边界上修饰基团的相对位置可以增加或者抑制纳米带中的电流通过，发现了一种Z型的散射态，表现出较好的电导和负微分电导效应；(4) 提出了一种新的glycine/Cu(100)-p(2x4)结构，得到了与实验相符合的表面能带结构,解决了一个持续近十年的争论，为利用、调控表面近自由电子态提供依据；(5) 研究了MeBr分子在Si(100)表面解离吸附反应的动力学过程,为在Si基半导体上制备纳米结构提供了参考；(6)正确地预测了半导体异质体系InxGa1−xN中随x变化时的能隙。这为今后的电致发光、太阳能电池等领域的理论模拟提供了新方法。