有机单分子整流器中量子干涉效应的研究

It has been recently demonstrated in experiment that quantum interference plays an important role in impacting the electrical properties of many molecular devices, which provides novel ideas for realizing and modulating high-performance molecular rectifiers. In this project, by focusing on the quantum interference, we aim to investigate the nonlinear electrical properties of the molecular rectifiers with an “Electrode/Organic Small Molecule/Electrode” sandwich structure by employing an extended quasi-one-dimensional tight-binding model coupled with the nonequilibrium Green’s function (NEGF) method. By simulating a series of molecular rectifiers with side groups, ring structures, or parallel groups (such as aromatic or annulene molecules), we will explore the impacts on the electronic states by the side-group positions, shapes, contacts, and the electron-lattice interactions and, thereby, reveal the quantum interference and its modulation as a result of the electronic wave-path differences, the quasi-degenerate state decoherence, and the Fano-type resonant. Furthermore, we will extend our models from single molecule to parallel double- or multi-molecule cases to study the impacts of intermolecular interactions on the quantum interference and rectification properties, of which the results will be compared with the associated experimental findings. These proposed studies are expected to be very important in deepening our understanding of the quantum interference in molecular devices and in guiding the design and fabrication of high-performance molecular rectifiers.

最近的实验研究证实量子干涉效应对分子器件的电荷输运性质具有重要影响，这为实现和调控高性能分子整流器提供了新思路。本课题拟围绕量子干涉效应，采用扩展的准一维紧束缚SSH模型结合非平衡格林函数（NEGF）方法，研究电极/有机单分子/电极“三明治”结构分子整流器中的非线性电输运性质。通过模拟具有侧基、环路或平行排列等结构（如芳烃分子、轮烯分子）的分子整流器，探讨侧基位置、分子结构、连接形态以及电子－晶格相互作用等因素对相关电子态的影响，揭示由于波函数波程差、近简并态退相干以及法诺（Fano）共振等因素所产生的量子干涉现象及其调控手段。在此基础上，设计二分子或多分子平行排列的分子整流器模型，研究分子间相互作用对量子干涉效应及整流特性的影响，并与相关实验结果进行比较。该项目的实施，将深化对分子器件中量子干涉效应的理解，并为高性能的分子整流器的设计与制备提供理论指导，推动分子电子学的发展。

量子干涉效应是量子系统中的重要现象，对纳米级的单分子器件的输运性能，有重要的影响。本研究中，我们采用紧束缚或者DFT方法描述纳米器件的电子结构，通过几何上的多通路、对称结构，使分子器件中实现量子相干。我们通过分析发现，体系中出现的量子干涉现象，主要是量子干涉相消，多通路情况下，总电流小于多个单通路电流代数加和；或者，由于对称性较高的结构中，出现扩展的近简并相干态，在偏压作用下，出现简并破除的退相干的局域态，使电流在达到偏压阈值后出现骤降。我们研究了，n-acene分子的电输运现象，发现了明显的电流拟制。另一方面，基于石墨烯、硅烯等二维结构纳米条带，也是实现量子干涉现象的实验平台。在偶数宽度Zigzag型硅烯条带中出类似于石墨烯的纳米条带的透射率gap，进而，通过设计边界的化学修饰（H，O，OH等），改变对称性，来调控相干性，我们得到了一系列的有意义的结果。此外，我们还关注到，在多种纳米条带结中的，都有磁性相关的输运现象。最后我们还设计了由C20为基本单元构成的蜂窝状二维材料，由于相干的分子轨道，形成了Dirac和拓扑平带，实现由门电压调制的分子自旋场效应管。这些结果为新的纳米电子学器件的设计提供线索和依据，推动了分子电子学的发展。