单分子结的界面结构表征和其电输运及调控研究

Constructing a nano-scale electronic functional device based on properties of a single molecule is a major developing area in nanoelectronics. Achieving a fundamental understanding, control, and exploitation of charge transport in molecular scale are key issues not only for finding novel physical phenomena, but also for practical applications of molecular devices. This project will investigate the contact details between molecules and electrodes,namely the interface structures of single molecular junctions(SMJs)formed under typical circumstances,and understand their forming mechanisms,using density functional based molecular dynamics.Furthermore, inelastic scattering Green function theory will be further developed, and inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS) of single molecular junctions will be calculated. Combined the experimental measurements, the relationship of microstructure and IETS of SMJs will be obtained. The technique of determining microstructures of SMJs will thus be proposed.The control mechanisms of charge transport in the molecular junction by graphene electrodes and chemical modification, such as appropriate side-groups, anchoring groups, and the pH of the solution, will be addressed using density functional based self-consistent nonequilibrium Green's function method for calculating charge transport properties. This project is significant to develop new methods and techniques for determining contact details of molecules and electrodes, control and exploit charge transport in molecular scale,and achieve functional molecular devices.

利用单分子的性质来构筑纳米电子功能器件是纳电子学的一个主要发展领域。在单分子水平上实现对单分子电荷输运的理解、调控和开拓不仅有利于发现分子尺度电荷输运奇异的物理现象，而且有利于实现单分子器件的实际应用。本项目拟利用基于密度泛函理论的分子动力学方法研究在典型条件下形成的单分子结的界面结构，获得分子与电极的接触细节，理解实验上单分子结的形成机理。在此基础上，一是通过进一步发展非弹性散射格林函数理论方法，计算单分子结的非弹性电子隧穿谱，结合实验结果，揭示单分子结的微观结构与其非弹性电子隧穿谱的关系，发展单分子结微观结构的表征技术。二是采用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法计算其电输运性质，深入研究石墨烯电极和末端基团与侧基修饰以及溶液pH值对其电输运性质的调控机理。本项目对发展用于确定分子与电极接触细节的方法与技术、调控和开拓单分子结电荷输运性能、设计和优化功能性分子器件等具有重要的意义。

信息技术的发展促使微电子学技术进入到纳电子学技术。纳电子学技术的发展离不开对物质量子态的进一步认识、对量子力学效应的应用以及对量子元件的构筑材料和工作原理的理解。单分子是可以达到电子元件尺寸极限的稳定量子系统。在单分子水平上理解、调控和开拓电输运不仅有利于发展分子尺度电输运理论，而且有利于指导单分子器件制备及应用。本项目发展分子器件非共振电输运理论，探索分子结的形成过程，完善分子结微观结构的表征技术，发现分子结电输过程的奇异物理现象，拓展分子结电输运性质的调控方法，揭示其调控机理。一方面，通过探索单分子结电导和分子属性关系，设计功能性分子器件，特别是分子整流器件。另一方面，通过研究分子结的形成过程和微观细节，为单分子制备技术提供理论指导。. 对于分子和电极弱耦合体系，现有的理论不能很好地研究低偏压下的电子输运性质。基于从头算的分子有效势场，建立了三维修正近似的一维电子输运理论方法。该方法揭示了在低偏压下非共振输运对分子体系导电能力的贡献。以二氨基烷烃系列分子为例，研究了分子结电导和分子长度的关系。在低偏压下，分子结电导与分子长度的指数衰减因子为0.90，很好地符合了实验值。. 分子与电极的接触细节是决定单分子结电输运性质的关键因素之一，因此分子与电极的接触控制对于制备稳定和可重复的分子器件非常重要。利用基于密度泛函理论的分子动力学方法研究了几类分子结的形成过程，获得了分子与电极的接触细节，探讨了单分子结的形成机理，并进一步发展了非弹性散射格林函数理论方法。. 单分子结电输运性质与分子属性、电极、质子化等多因素有关，理解这些因素的调控机理，有助于设计功能性分子器件。羟基苯-吡啶基团分子内的氢键作用改变相邻芳香性圆环的结构关系，显著提高了分子结电流值。石墨烯纳米带、掺杂石墨烯纳米带、硅（锗）烯纳米带电极能改善分子整流器件的整流性能，并可设计为有关气体检测的纳米传感器。