金属电极-团簇-金属电极纳米体系电子输运的理论研究

The clusters have broad and important application prospects in the design of new nano-structures and devices in the future. However, up to now, the main domestic and foreign scholars have investigated only on the electronic transport of some Ⅳ semiconductor clusters, few literatures has been found on the electronic transport of other clusters (such as non-metallic clusters, metallic clusters, and binary semiconductor clusters), as is very detrimental to a comprehensive understanding of clusters of electronic transport mechanism. In this project, we will focus on two typical clusters, including S_n , Au_n, and Ga_nN_n (2≤n≤10), starting from the atomic and molecular scale. We will investigate the electronic transport properties in the metal electrode-cluster-metal electrode nanoscale systems in detail from first-principles analysis. Firstly, we will apply first principles molecular dynamics simulations to obtain the ground state stable structures of these clusters. And then, based on these results, we will study the structures of the nanoscale molecular junctions in metal electrode-cluster-metal electrode systems and the electronic tranport mechanism of it by using first-principles calculations and non-equilibrium Green' function method. This project will provide a important theoretical basis for a comprehensive understanding of the electronic transport behaviour of clusters, further designing the molecular devices with the clusters as the basic unit.

团簇在设计新型的纳米电子结构与纳米电子器件中具有广阔而重要的应用前景。目前，国内外学者仅对少数Ⅳ主族团簇的电子输运进行过研究，对其它团簇（如非金属团簇，金属团簇和二元团簇）的电子输运则鲜有报道，这种情况制约了人们全面了解团簇的电子输运及其机理。本项目拟对典型的非金属团簇-硫团簇S_n，金属团簇-金团簇Au_n和二元团簇-氮化镓团簇Ga_nN_n (2≤n≤10），从原子分子尺度上，对金属电极-团簇-金属电极形成的纳米体系的电子输运特性进行详细的第一性原理研究。我们首先利用第一性原理分子动力学方法模拟得到这些团簇的基态构型，然后利用第一性原理和非平衡格林函数相结合的方法，研究这些团簇与金属电极形成的纳米分子结的结构，进而研究其电子输运机理。本项目为我们深刻和全面了解团簇的电子输运特征，设计以团簇为基本单元的分子器件提供重要的理论依据。

目前，国内外描述分子导体电子输运的理论已日渐成熟，对以单分子为基本单元的分子器件的研究较多，而对以团簇为基本单元的分子器件研究很少，从而制约了人们全面了解团簇的电子输运及其机理。因此，对团簇的电子输运进行深入研究具有重要的理论意义和实际意义。本项目对硫团簇和氮化镓分子形成的金属电极-团簇-金属电极纳米体系以及石墨烯耦合量子体系的电子输运性质进行了较详细的研究。.1）对S2团簇，S3团簇与Au(100)面连接体系的电子输运性质进行了研究。主要考虑了S2团簇与Au(100)面相对于输运方向的四种结点构型，包括：对顶位平行、对顶位垂直、空位-对顶位、空位-空位。结果显示，S2有较大的电导，S3则有较小的电导，它们的I-V曲线均显示线性特征。我们还研究了硫原子链和Au(100)面对顶位平行连接时的输运性质，发现经优化后的所有链均为线性且以链中心对称，硫原子间的键长和原子数的奇偶性相关。原子链的电导随链长的增加以四个原子为周期振荡；在较小的电压下，电导保持四原子周期振荡；随着电压的增大，电导表现出越来越明显的奇偶振荡特征。.2）对GaN分子与Au(100)面以顶位对顶位、顶位对空位、空位对顶位、空位对空位等四种不同构型形成的Au-GaN-Au纳米结点的电子输运性质进行了研究。结果表明：在研究的电压范围内，四种构型分子结的I-V 曲线均显示为非线性，具有类似半导体结点的特性；在所有键中Ga-N键是最强的；.3）详细研究了耦合铁磁电极的石墨烯吸附单杂质原子和水平量子线的自旋极化输运特性。结果显示，由于杂质原子与石墨烯平面的直接耦合作用，传导电子在石墨烯平面与耦合原子之间都可以传输，可能导致电子的传输存在直接的或间接的传输通道，导致杂质的态密度及系统的线性电导随着杂质原子能级的改变而呈现出良好的Fano线型结构；随着石墨烯-量子线耦合强度的增加，石墨烯衬底的狄拉克点输运性质对量子线的输运电流产生了比较大的抑制。这些研究结果为丰富介观Fano效应提供较好的参考，也为从实验上研究分子自旋阀器件提供了非常好的模型。