DNA中的电荷与自旋输运现象

DNA纵向电输运研究能为理解细胞中的DNA损伤与修复过程、开发治疗癌症的基因疗法提供重要指导。横向电输运研究则可被用来开发高速且高精度的物理基因测序技术，实现廉价的快速基因测序这样一个极具现实意义的目标。而包括自旋输运在内的研究则能为将DNA这种独特的天然功能材料应用于未来量子器件提供途径，为DNA器件的可行性和设计提供依据。最近十年来实验及计算机技术的迅速发展使这些研究成为可能。我们将利用自己在半导体纳米结构及有机分子链体系中研究电声子作用、电荷及自旋输运、以及电子关联等特性的坚实背景，在提出的双链梯子模型基础上，采用多尺度方法，即将非平衡格林函数理论或转移矩阵方法与第一性原理、紧束缚方法、或有效质量近似结合起来，深入系统地研究DNA中电输运的一些特性，包括DNA原子振动（声子）、环境（电磁场、掺杂、电介质溶液）、分子结构变化、电极及其与DNA分子的接触等自身及外部各种因素对输运的影响。

以DNA为代表的有机分子链中的电荷及自旋输运现象由于其重要的科学价值和器件应用前景在近年来获得广泛重视。这些低维系统往往具有环状或层状结构，p 电子轨道在层内形成扩展电子态并与相邻层电子态交叠使电子也可以比较自由地在层间运动。这种 p 电子结构正是导致DNA长程电输运及石墨良好导电性的原因。现有实验已经表明电子输运与DNA分子的损伤与修复过程密切相关。同时，DNA等分子中电子输运的研究也能为基因测序、DNA等一维分子链的器件设计提供依据。近年来具有丰富材料特性的有机环金属三明治一维分子结构中的电输运性质受到关注，在DNA分子链的层状碱基之间掺杂金属原子也成为改变其电学性质的一个手段。另外，最近受到广泛关注的一维石墨烯纳米带可以被用来制作连接DNA分子的电极。在锯齿型石墨烯纳米带中，p轨道在边缘形成自旋极化的量子态，且其能量正好处于费米面附近，因而能够决定该系统中的电子输运特性。本项目中我们首先利用紧束缚模型研究了DNA分子的一些性质。如存在碱基错配情况下DNA分子的电输运特性。结果表明错配碱基的存在能使分子的电流－电压特性曲线出现明显的台阶，这种特性有可能被用来制作记忆电子器件。同时我们也研究了局域和扩展声子模式的存在对电子输运的影响。此外，利用基于第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，我们研究了在石墨烯纳米带电极间DNA碱基处于不同角度、不同方向、和夹杂金属原子时的电输运特性。再次，我们研究了一维石墨烯纳米带分子的电子输运特性。得到了其中出现单自旋负微分电导特性的条件和物理机制。最后，以偶数宽度石墨烯纳米带作为电极，我们发现可以利用波函数的对称性来控制通过一维分子链的电流－电压特性。