基于DNA的分子器件电荷、自旋极化输运及功能性研究

DNA is an important large biological molecule, and its potential conductive property attracts the study from molecular electronics and organic spintronics. Based on the former works of non-equillibrium green function transport theory, we will construct the tight-binding model of DNA and continue to study the charge and spin transport properties of DNA molecular device.The detailed content includes the effect of non-equilibrum charge accumulation on charge transport; the spin polarized transport and spin flip effect in metal modified M-DNA molecule; the quantum interference effect on the spin transport in the ferromagnetic electrode connected G4-DNA molecular device. This projection focuses on effect of the peculiar three dimensional helix structure and soft properties of DNA molecule on spin and charge transport.Some special charge and spin transport properties can be predicted theoretically.This projection can provide theoretical support for the exploit and application of DNA organic device.

DNA分子是重要的生物大分子，它潜在的导电特性使其成为分子电子学和有机自旋电子学的研究对象。本项目拟在前期工作的基础上，建立DNA分子的紧束缚模型，结合非平衡格林函数输运理论，深入研究基于DNA的分子器件中的电荷和自旋输运性质。具体内容包括非平衡电荷积累对于DNA分子器件中电荷输运的影响；金属修饰的M-DNA分子中的自旋极化输运和自旋翻转效应对自旋极化输运的影响；量子相干效应对于铁磁电极连接的G4-DNA分子器件的自旋输运的影响。本项目旨在发掘DNA独特的三维螺旋结构和软特性对电荷和自旋输运的影响，理论预言DNA分子器件中一些独特的电荷和自旋输运性质，为基于DNA分子的有机器件开发和应用提供理论基础。

研究DNA分子的电荷和自旋输运性质可以为分子电子学及自旋电子学提供一个良好的候选材料，由于DNA分子的结构复杂性以及外界环境的影响，其中的电荷和自旋输运性质的实验结果差异较大。溶液中离子与DNA中的巡游电子的静电相互作用不可忽略，人们也尝试在DNA中掺入金属离子来改善其电荷与自旋输运性质，另外G4-DNA的四螺旋结构导致的量子相关输运也有待研究。本项目在前期工作基础上，建立了DNA分子的紧束缚模型，结合非平衡格林函数输运理论，深入研究了基于DNA分子器件的电荷和自旋输运性质。主要研究成果有：阐明了金属修饰的M-DNA分子中的自旋极化输运和自旋翻转效应对自旋极化输运的影响；阐明了溶液无序对DNA电荷输运的影响；阐明了量子相干效应对于G4-DNA分子器件电荷输运的影响；阐明了外加磁场对于G4-DNA磁阻的调控。本项目发掘了DNA独特的三维螺旋结构和软特性对电荷和自旋输运的影响，理论预言了DNA分子器件中的独特的电荷和自旋输运性质，为基于DNA分子的有机器件开发和应用提供了理论基础。