有机单分子器件串并联电路量子干涉效应研究

Combining organic single molecular devices with controllable charge transport properties into serial-parallel circuits to realize logical function, and then assembling molecular machines, is the ultimate goal of Molecular Electronics, also a research focus both in theory and experiment at present. In this project, based on previous research, taking electrode/simple serial-parallel combination of organic single molecular device/electrode as the research object, using density functional theory (DFT) combined with non-equilibrium Green's function (NEGF) method, we will study the transport properties of charge carriers in simple serial-parallel combinations of organic single molecular devices, intensively analyze and understand the effect mechanism of quantum interference (QI) on charge transport process in combinational circuits, consider the effect of the internal structure of combinational circuits on QI, such as different linking groups, relative position and orientation between molecules, different interfacial interaction, and so on, discuss effective regulations on QI and optimized combination modes. We aim at researching the effect mechanism of QI on charge transport properties of serial-parallel combinational circuits with two organic single molecular devices, revealing effective regulations on QI, summarizing universal law for serial-parallel combinational circuits with molecular devices, providing theoretical basis and directions for logical functional combination of organic single molecular devices, and promoting further development of Molecular Electronics.

将电荷输运性质可控的有机单分子器件进行串并联组合以实现逻辑功能，进而组装成分子机器，是分子电子学的最终目标，也是目前理论和实验研究的热点。本项目拟在前期研究基础上，以电极/有机单分子器件简单串并联组合/电极作为研究对象，利用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）方法，研究有机单分子器件简单串并联组合电路中电荷载子的输运特点，重点分析理解量子干涉效应在组合电路电荷输运过程中的作用机理，考虑串并联组合电路的内部结构因素，如不同的连接基团、分子的相对位置和取向、不同的界面相互作用等，对量子干涉效应的影响，探讨量子干涉效应的有效调控方法及最优化组合方式。目的在于研究两个有机单分子器件串并联组合电路的电荷输运过程中量子干涉效应的作用机理，揭示对量子干涉效应的有效调控方法，总结分子器件串并联组合电路的普适规律，为有机单分子器件的逻辑功能组合提供理论基础和指导，推动分子电子学的进一步发展。

主要研究了电极/有机单分子/电极以及锯齿型石墨烯、硅烯纳米带串并联组合构成分子器件的电子输运性质，并研究了自旋极化对器件输运性质的影响。这些器件显示出了许多优良的物理特性，如开关、整流、负微分电阻、自旋过滤和巨磁阻等性质，丰富了分子自旋电子学的研究。在该项目基金的支持下，在Phys. Chem. Chem. Phys.、Org. Electron.、RSC Adv.、Phys. Lett. A、Chem. Phys. Lett.、J. Chem. Phys.、J. Mater. Chem. C等SCI刊物上发表相关学术论文28篇。具体研究成果着重列举以下内容。（1）采用密度泛函理论+非平衡格林函数的方法，以Au/ferrocenylalkanethiol (二茂铁硫醇)异质结/Au串联的分子器件为对象，研究了分子异质结电子输运性质，并解释了HSC11Fc 和HSC9Fc之间整流比的一级偏差存在的原因。（2）以n-acene（并苯）为中心分子，锯齿型石墨烯纳米带为电极，采用自旋极化密度泛函理论+非平衡格林函数方法，研究了n=3,4,5,6情况下这一系列器件的自旋输运性质。在这些器件中发现有100%自旋过滤效应、双向自旋整流效应、8000%巨磁阻效应以及负微分电阻效应等性质。（3）应用第一性原理方法（自旋极化密度泛函+非平衡格林函数），研究了锰钛菁（MnPc）分子构造的器件的气体检测性能，通过对比吸附六种不同气体（NO、CO、O2、CO2、NO2和NH3）自旋输运性质的不同来辨别不同的分子。其中，NO分子吸附能够实现Mn自旋的关闭态，因此可以作为开关分子自旋的有效方法。而CO2和NH3分子由于与Mn的范德瓦耳斯力作用较弱，很难被探测到。（4）以氧饱和的锯齿型石墨炔和氢饱和的锯齿型石墨烯纳米带串联构造的异质为研究对象，采用密度泛函理论+非平衡态格林函数方法，探究了氧原子数目和位置对异质结电子输运性质的影响。当氧原子数目和位置发生改变时，纳米带的宇称发生变化，宇称隧穿效应会使得整流方向发生反转。这些研究成果必将进一步促进分子自旋电子学的发展。