氢键结合水纳米结构的电子输运性质

Ionic-, covalent-, and metallic-bonding, together with weaker hydrogen- and vdw-bonding are the fundamental inter-atomic interactions of known materials. Earlier studies have been focused on potential electronic applications of the nanostructures that constructed by the three stronger interactions, like molecular electronics, spintronics and others. Although tremendous progress has been achieved, it is still lack of understanding that the electron conducting properties of hydrogen-bonding-constructed nanostructures...It is the purpose of this project attempting to answer the problem of ``the conductivity of hydrogen bonds". H2O, the most representative hydrogen bonding system, was selected to be investigated by first-principles density functional theory calculation combined with molecular dynamics simulation and non-equilibrium Green's function method. In particular, the band-structure and its dispersion relations of electrons in 1D water and 2D monolayer ice on metal and insulator surfaces will be calculated. We will be building a two-probe model to inspect electron transport properties of monolayer ice on insulator surfaces. Dynamics of a few water molecules in between two nano-electrodes will be simulated using molecular dynamics under an electric filed to check whether an ordered 1D nanostructure forms. The electronic transport properties of such 1D nanostructure will be calculated. On the basis of these results, we will be discussing potential applications of hydrogen-bonding-constructed nanostructures in future electronics.

材料中的相互作用包括离子键、共价键、金属键、以及较弱的氢键和更弱的范德华键等。虽然前期研究工作对由前三种典型原子间相互作用构筑的材料特性及其在未来电子学中的应用都进行了较为全面的研究，但是人们对较弱相互作用（如氢键和范德华力）构筑体系的电子学性质还知之甚少。.本项目拟初步尝试回答"氢键的导电性"问题。选取H2O作为研究对象，采用第一性原理计算、分子动力学模拟、非平衡格林函数等方法研究以下内容：(1)几种金属和绝缘体表面上二维冰结构的电子能带结构和色散关系、总结出基底元素种类、晶格常数、极性等对二维冰结构电子态色散关系的影响；（2）在绝缘体表面构筑一类双探针模型，研究绝缘体表面二维单层冰的电子输运特性；（3）研究纳米电极间水分子在外场下的动力学行为，探索其可能形成的（准）一维纳米结构，并研究这些结构的电子输运特性。通过这些具体研究，探索氢键构筑体系在未来电子学材料中可能的应用。

项目研究了分子间氢键的本质和氢原子在分子输运结中的作用。预测了黑磷、PtS2、PtSe2、并五苯少层等的力学、光学和电学特性；揭示了其层间耦合机制。发现了黑磷的氧化机制，建立了MoS2中缺陷和制备方法、迁移率的关联。提出了有机功能分子在绝缘体表面的相互作用机制；研究了几种有机功能分子与金属表面的相互作用机制。.. 具体地，项目首次在实空间观察到氢键等分子间相互作用，提出了适用于建立不同化学键的原子力显微成像机制及其差异来源的新理论，确认了氢键的部分共价性质。预言了少层黑磷的能隙随层数变化（1.5 eV – 0.35 eV），发现了其光的线性二色性、高载流子迁移率、直接带隙、各项异性、负泊松比、强电声耦合、氧化机制等；提出了一种强层间电子耦合机制（磷准键）。拓展了过渡金属硫族化合物到Pt族，预言了其大气稳定性、层数可调的间接带隙和半导体—半金属转变、高载流子迁移率等。发现了有机功能分子与NaCl/KBr表面的相互作用主要为静电相互作用。易极化分子则容易与绝缘体表面发生杂化。发现了H原子价态可以显著影响分子输运结的电导，H阳离子与H分子两个状态可以实现超过一个数量级的电导转变。发现了glycine在Cu表面由氢键网络直接形成的近自由电子态，其有效质量与实验测量一致。.. 项目在高水平期刊上发表论文21篇，其中16篇项目负责人为通讯作者。发表Science 1篇、Nature子刊2篇、PRL 1篇、ACS NANO 2篇、Advanced Materials 1篇等7篇高端论文。上述论文发表情况，超额完成项目计划书预期成果。此外，还支持国产期刊，在Science China和Frontiers of Physics受邀发表论文两篇。此外，项目执行期参加国内、国际会议并做邀请报告数十次，与国际多个研究组保持着长期合作。参与组织了几次国际会议和讲习班。项目论文入选ESI热点论文1篇、高被引论文5篇；项目研究成果入选2013中国科学十大进展；项目论文入选2014、2015中国百篇最具影响国际期刊论文。.