官能团修饰和外场对化学吸附前驱态的性能调控及其应用研究

In terms of the micro-nano requirements of current electronic devices, the project aims to design molecular devices using the precursor state of organic molecules that adsorbed on metal surfaces. By modifying functional groups of molecules and applying external fields, we will tailor the stability and electronic properties of the precursor and chemisorbed states to design high-performance molecular switches. Specifically, by using density functional theory combined with many-body dispersion corrections, we will study the structure, stability, electrical, optical, and magnetic properties of hybrid organic-metal interfaces. We will address the coordination mechanism of the strong and weak interactions between molecules and substrate, and clarify the influence of many-body effects on the accurate prediction of the structure and stability. According to the obtained potential energy surface for the molecules on the substrate, which has the shape of double potential wells, we will reveal the transformation mechanism between the precursor state and chemisorbed state. By modifying functional groups of molecules and applying an external field, we will tune the structures, stability, and electronic properties of hybrid interfaces. Further, we will uncover the regularity of using the functional-group modification and the external field to tune the stability and electronic properties of interfaces. In this context, we propose an optimal approach to design a series of high-efficiency, repeatable, and low cost molecular switches. This project will be able to expedite the development of new types of nanoelectronic devices.

针对当前电子器件微纳化的要求，本项目提出利用有机分子在金属表面上形成的化学吸附前驱态设计分子器件。通过官能团修饰和施加外场调控前驱态和化学吸附态的性能，从而设计出高性能分子开关。具体采用包含多体色散效应修正的密度泛函理论方法，研究分子在金属表面上形成的前驱态和化学态的界面结构、稳定性以及其电、光、磁等性能，深入探讨强弱相互作用力之间的协同作用机制，阐明多体色散效应对界面结构和稳定性的影响，获得分子在金属表面的双势阱吸附势能曲线，揭示前驱态和化学态之间的转变机理。通过官能团修饰和施加外场调控有机分子在金属表面上的结构、稳定性以及电子性质，澄清官能团和外场对界面结构的稳定性和电子性质的调控规律。提出优化有机分子-金属界面结构和稳定性的途径，最终设计出一类高效、可重复、低成本的分子开关。本项目的开展将推动新型纳米电子器件的发展。

电子器件的微型化是信息领域迅速发展的关键，传统硅基材料逐渐到达尺寸瓶颈。分子开关从分子尺度实现信号控制，具有功能多样化、尺寸小和易制备等优点，在实现电子器件进一步微型化方面具有巨大的潜力，但经过多年的发展仍面临稳定性差、开关比小等问题。在国家自然科学基金委面上项目的资助下，围绕金属表面高稳定性和高开关比的分子开关设计，研究了官能团和外场对界面结构和电子性质的调控，并探索了在逻辑电子材料中的应用。根据本项目计划，采用包含多体范德华力修正的密度泛函理论方法，系统研究了一系列金属-有机分子吸附体系的结构、稳定性和输运性质，揭示了界面强、弱交互作用对结构和稳定性的调控规律，阐明了分子在金属表面前驱态和化学吸附态间的动力学转变机制，探讨了官能团和外场对界面结构和稳定性的影响机制，建立了官能团和外场与界面开关性能的构效关系，提出了高稳定性、高开关比分子开关的调控方案；揭示了界面吸附结构对界面偶极、表面功函数、能级匹配、自旋和电子输运性质的影响规律，阐明了官能团修饰对界面电导的影响机制，实现了金属-有机半导体界面势垒的有效调控。基于双稳吸附分子开关体系，提出了可控肖特基二极管的设计理念，在增大正向输出电流的同时降低了反向漏电流，设计出了具有低能耗、高输出电流的分子肖特基二极管；提出了可控金属有机自旋界面的设计理念，在单一金属-分子界面体系实现了高自旋态和低自旋态可控转变，设计出了具有高稳定性、高开关比的分子开关。基于以上研究结果，项目负责人以第一或通讯作者身份在国际知名学术刊物Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc. (2篇)、WIREs Comput. Mol. Sci.、Prog. Surf. Sci.、Research、Chem. Mater.、npj Comput. Mater.、ACS Appl. Mater. Interface、J. Mater. Chem. A等上共计发表SCI论文25篇，获得授权国家发明专利3件，申请国家发明专利2件。