分子结中电流诱导的动力学

The ultimate goal of molecular electronics is to use single-, super-molecules or molecule aggregates, instead of silicon-based devices, as building blocks of electronics. The stability of a molecular device under a static electric field is the most important prerequisite to reach the goal.Although current-induced breakdown of molecular devices is common in experiments. Systematic study of the failure mechanism experimentally or theoretically is rare. Our understanding of the few experimental results is rather limited, due to the absence of a unified theory.In this project, combining the Feynman-Vernon influence functional approach and the nonequilibrium Green's function method, we study the energy, momentum transfer between current-carrying electrons and molecular vibrations. We take into account the current-induced forces and Joule heating on an equal footing. Based on this theory, we will develop a Density Functional Theory based molecular dynamics program, and study related experimental results. By so doing, we expect (1) a better understanding of the failure mechnism of molecular devices under current flow, (2) novel design of current-induced molecular motors.

分子电子学的终极目标是以单分子、超分子或分子团簇来代替传统硅基器件来构建集成电路。而分子在外电场作用下的稳定性是实现这一目标最为重要的前提。电流导致的分子器件失效在实验上颇为常见，但对其失效机理在实验或理论上的系统研究却屈指可数。由于缺乏完善的理论，我们对鲜有的几个实验结果的理解更是不尽如人意。本项目采用Feynman-Vernon泛函积分和非平衡格林函数相结合的理论方法，同时考虑电流诱导力力和焦耳热两个因素，系统研究纳米分子器件电子和分子振动模在外场作用下的能量和动量转移过程。以此为基础，借助量子化学的密度泛函理论，发展第一性原理的分子动力学模拟程序：（1）系统的研究相关实验，以其进一步加深对分子器件在外电场作用下失效机制的理解；（2）以电流诱导的分子动力学为基础，设计分子马达等新型单分子功能器件。

工作中的单电子器件在外加电场作用下会发热，通常称为焦耳热。这些聚集在分子中的能量使其“有效温度”提高，进而影响其稳定性。同时，由于电子的定向流动会给原子核施加一个电流诱导力。电流诱导力也可以对原子核做功。这样从电子向原子核的能量转移就分为两部分：一部分是随机的焦耳热传递，另一部分是电流做功。这两个不同类型的能量转移过程对单分子结稳定性的影响是本项目的主要研究内容。我们发展了一套半经典朗之万方程与第一性原理电子结构计算相结合的计算方法来研究这一问题。并对两种能量转移机制之间的关系进行了深入的研究，取得一系列重要的结果。相关结果发表在国际权威期刊上，收到了国际同行的关注。这些研究成果为相关的单分子结实验工作提供了理论支持，可以进一步促进这一方向的发展。