极性分子偶极特性对有机异质结界面耦合和电荷输运的影响

对功能性异质结分子器件电荷输运机理的实验与理论研究，是目前分子电子学的研究热点。本申请主要采用密度泛函（DFT）+非平衡格林函数（NEGF）理论计算方法，对功能性异质结分子器件的电荷输运特性进行理论计算和模拟。以电极/极性分子/电极异质结为研究对象，主要选取二嵌段共聚分子、同分异构分子、掺杂原子富勒烯或内嵌原子富勒烯为极性分子，选取金属、碳纳米管为电极。着重研究电极与极性分子的界面耦合及该异质结中电荷输运的特点：（1）探讨由于存在极性分子偶极矩，分子与电极界面处耦合强度、体系电子结构和电荷空间分布的变化；（2）研究在不同的电极种类和结构形式、极性分子与电极的键接方式下异质结中电荷的输运规律；（3）建立分子器件中电流（I）与极性分子的偶极矩(P)及外加电场(E)等的普适关系。本研究将为研制和开发功能性分子器件提供理论基础和指导。

主要研究了金属电极－极性有机分子－金属电极三明治结构的电子输运性质，进行了简单逻辑电路的设计，发现了一些新的物理现象，如具有偶极特性的分子组成的分子器件具有开关、整流、负微分电阻和Fano共振等性质，丰富了分子电子学的研究。在该项目基金的支持下，在JPCC、APL、Org. Electron.、Phys. Chem. Chem. Phys.、PLA等SCI刊物上发表相关研究学术论文32篇。采用紧束缚+格林函数的方法，以Au/diphenyl（联二苯）-dipyrimidinyl（联哌嗪）/Au三明治结构的分子器件为对象，研究了极性分子二极管中的电子输运性质，并对电子-晶格（e-l）相互作用对电输运性质的影响进行了探讨。以硝基苯分子(NO2BDT)为研究对象，采用密度泛函理论+非平衡格林函数方法，对有机分子中官能团的位置和取向对器件的电荷输运性质的影响，进行了系统地研究探讨，发现随着硝基NO2平面与苯分子平面的夹角的变化，会导致体系的电导的改变，同时在LUMO能级附近会发生Fano共振现象，等等。这些研究成果必将进一步促进分子电子学的发展。