以石墨烯为电极的光敏分子开关理论设计与性能调控

The light-sensitive molecular switching can shift between the high-conductance and low-conductance by photochemical reaction. The short response time and reversible switch between two conductance states are two important features of these light-sensitive molecular switchings which allow them to play an important role in future information storage. So far, the light-sensitive molecular switching generally chooses the metal materials as the electrode, and seldom chooses the graphene. Currentlly, graphene is the most thin planar quantum system and has a lot of characters such as stable structure, high thermal conductivity, and easy modulation. Therefore, the graphene is considered as the perfect electrode material. In this project, we study the electronic structures and electronic transport properties of the molecular switchings consisting of the pristine graphene electrode and typical light-sensitive molecules such as azobenzene, diarylethene, etc. by using the first-principle method based on the non-equilibrium Green's function formalism and the density functional theory. Then, starting with modulations of graphene electrode, we quantitatively explore effects of width and chiral, defect and change, unsymmetrical connecting and doping on edge saturation atom of graphene on the electronic transport properties of the light-sensitive molecular switching based on graphene electrode to extend the modulation ways on the transport properties of the light-sensitive molecular switchings. Finally, we intend to seek the new light-sensitive molecules and design the small and high switching ratio light-sensitive molecular devices, and establish a theoretical foundation to promote the further research and practical application of light-sensitive molecular devices on information storage.

光敏分子开关可以通过光化学反应实现高低导电状态的转换，特点是响应时间短、可逆性好，将在未来信息存储中发挥重要的作用。目前，光敏分子开关通常选取金属材料作为电极，而以石墨烯为电极的研究报道还很少。石墨烯是迄今已知最薄的二维量子体系，具有结构稳定、导热性好、调控方式多等特点，是构成光敏分子开关理想的电极材料。本项目利用基于非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法，研究偶氮苯、二芳烯等典型光敏分子与质朴石墨烯电极构成分子开关器件的电子结构和输运性质。然后从调控石墨烯电极入手，定量地分析石墨烯电极宽度和手性、缺陷和形变、非对称连接以及边缘饱和原子取代对以石墨烯为电极的光敏分子开关电子输运性质的影响，拓宽调控光敏分子开关电子输运性质的途径。在此基础上，探寻新型光敏分子并设计出尺寸小、开关比高的开关器件，为推动光敏分子开关在信息存储方面的深入研究和实用化提供理论基础。

分子器件做为未来电子元件应用于原子级电路中有重要潜在意义，所以近几年来越来越受到人们的关注。本项目着眼于这一研究前沿，深入探讨光敏有机分子与石墨烯电极构成的分子开关器件的电子输运性质。主要内容包括:分子器件输运性质计算方案的研究；石墨烯纳米带手性以及石墨烯电极旋转对器件电子输运性质的影响；石墨烯电极不同自旋态对分子器件电子输运性质的影响；分子-电极界面微结构及化学构成对器件电子输运的影响；分子自身对称性变化以及各种缺陷对器件电子输运的影响；分子中的取代或掺杂等化学调控手段对器件电子输运性质的影响等。我们的研究发现：利用石墨烯纳米带特殊的电子结构，分子开关的开关比可以在很宽的偏压范围内稳定存在，这个结果为提高分子开关的稳定性提供了很好的物理模型；扶手椅型石墨烯纳米带不同宽度具有不同的电子结构可以直接调控分子开关的开关比，因此可以作为调控分子开关器件性能的重要手段；利用锯齿边石墨烯的优秀自旋输运性质，可以实现不同铁磁态下的电流开关从而构造自旋开关器件；旋转锯齿边石墨烯电极同样可以有效地控制分子器件的电导形成效果良好的分子开关器件；对于特定的分子，单原子吸附也可以作为一种有效手段调控分子器件电子输运性质构造成分子开关；分子自身不同的掺杂位置也是影响掺杂效果的重要因素不能忽略。存在于分子内部或者处于分子与电极连接处的缺陷都可以改变分子的电子结构从而调控分子器件的电导形成分子开关。以上研究结果着眼于分子开关，从设计，改性以及机理探讨等多方面对分子开关进行了系统全面的研究，这些研究对于设计新型结构和功能的分子电子器件有重要的指导意义。