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基于碳基分子体系电荷输运的量子调控机理与应用研究

作　者: 李小飞
导　师: 王玲玲
学　校: 湖南大学
专　业: 物理学
关键词: 密度泛函非平衡格林函数分子动力学分子器件碳纳米管石墨烯异质结 DNA测序负微分电阻分子整流器分子开关电子输运自旋输运边缘态相位差阻抗干涉自旋极化
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文结合第一性原理的电子结构计算、非平衡格林函数输运理论和分子动力学方法,系统地研究了基于分子与分子体系电荷输运的量子调控。着重研究了分子的构型、氢键、分子间的π-π耦合、分子链的长度、环型分子电路中电子的相位相干性、分子与电极的耦合、碳纳米管异质结长度、断裂碳纳米管电极的粗糙断裂而、断裂碳纳米管与分子之间的拓扑连接、分子在结中的构型、氢化石墨烯隔离带、齿型/椅型石墨烯条带异质结的宽度和连接长度、以及手性石墨烯纳米条带边缘化学修饰等因素与体系电子输运性质的关系,探索输运电荷量子调控的机理与方法。观察到强烈的负微分电阻行为和高性能的电学整流效应。设计了高性能的分子电导开关、分子整流器和自旋器件等。本文中,我们对分子侧链的阻抗效应、DNA电学测序的可行性和功能性修饰增强石墨烯电荷输运性能的机理与应用等当前分子电子学领域的关键性问题进行了初步地讨论。我们研究了基于(8,0)碳纳米管的金属-双管-金属结的电荷输运特性,发现了一些有意思的物理效应。比如：碳纳米管之问的相互作用可以诱发分子轨道分裂,分裂的具体情况与碳纳米管之间的相对距离和相对角度有很大的关系,轨道分裂产生的附加轨道提供了新的电子输运通道致使体系电导有明显增加,特别是随着附加轨道靠近费米能,体系可表现出金属行为。因此,我们认为通过控制分子间相互作用的强度,可以使双分子体系呈现出完全不同的电子输运特性。我们探讨了由管径不同的单壁碳纳米管构成的异质结的电子输运行为。第一性原理结果表明此类异质结的电子输运能隙与结的大小和长度等因素密切相关。在某些特殊大小的异质结中我们发现了微弱的负微分电阻行为,其物理机理是某些输运通道在一定偏压下可以被有效镇压。基于此发现,我们设计了具有显著负微分电阻效应的双碳纳米管异质结器件。由于两异质结间的π-π耦合强度决定了附加电子输运通道的位置和导电能力,我们通过调节异质结间的耦合强度,有效控制了体系的输运行为和负微分电阻效应的大小。运用分子动力学模拟、第一性原理电子结构计算和非平衡态格林函数电子输运计算相结合的研究方法,我们研究了最近在实验上实现的以断裂碳纳米管为电极的分子结的电子输运行为。分子动力学模拟显示：在拉断实验碳中,纳米管喜欢沿着手性角的方向断裂；其断裂面很不规则,主要部分是齿型的,椅型和悬挂碳原子也随机地分布于断裂而上；粗糙的断裂而,特别是断裂而的尖端结构,决定了分子与碳纳米管电极之间的拓扑连接；统计结果显示分子喜欢以倾斜的方式通过多边形连接方式共价地与碳纳米管接合在一起。非平衡态格林函数输运计算显示,最概然构型的分子结所具有的金属性与所选择的金属型碳纳米管电极的手性无关,但其电子输运性能对分子和碳纳米管之间的连接角度有很强的依赖性。据此,我们设计了由上下移动碳纳米管电极的位置进行操作的机控分子电导开关。第一性原理计算表明,此类开关所需要的操作能量很小但却有着相当高的开关比。运用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,我们研究了电学测定DNA基对的可能性。结果表明在STM实验中测量得到的两束衰减率不同的电流-距离曲线,不能完全归因于A-T、G-C基对间的氢键数目的不同,它更多的应归结于DNA基对处于各种不同空间构型时电流的统计表现。DNA基对间的堆垛结构,对金属/DNA/金属结的电子输运行为起着重要的作用,在很大程序上决定了体系电流-间距曲线的衰减因子。因此,我们认为发展出有效的方法确保在每次测量中相同的DNA基对在金属/DNA/金属结中具有相同的空间构型,是利用电子学方法标定DNA基对的关键。通过齿型和椅型石墨烯条带间的化学连接,我们设计了齿型/椅型石墨烯条带异质结,并研究了其电子输运行为。结果表明齿型、椅型石墨烯条带能带间的耦合,特别是费米能附近轨道的耦合情况对体系的电子输运行为起着决定性的作用。依据宽度的不同,此类异质结体系既可以是金属型的也可以是半导体型的。其零偏压电导随着宽度的变化发生有规律地振荡。整流行为是此类异质结的本征行为,整流的方向可随条带宽度做周期性的变化,整流比的大小主要由齿型条带的宽度确定并可以经由改变齿型和椅型石墨烯条带间的连接长度进行调控。研究结果表明,增强电子和空位透射谱的不对称性可以导致体系的整流行为的增强,高达104的整流率可以在半导体型的“T”型异质结中实现。我们研究了含氢化窄带的石墨烯纳米条带的电磁输运行为。我们发现齿型氢化石墨层条带具有良好的隔离效应。每条氢化隔离带可以在体系的费米能附近引入两个导电的类边缘态,从而可以有效地增强体系的电导能力。体系依然是极化的,其极化电流随着氢化带位置的不同呈现出良好的振荡行为。而椅型氢化石墨烯则可以有效改变体系的能隙,利用这种技术设计的构型石墨烯/氢化构型石墨烯异质结具有优异的整流效应。更重要的是,我们发现氢化带能有效屏蔽粗糙边缘态对体系电导的影响。氢化隔离带使含粗糙边缘的石墨烯条带具有理想石墨烯纳米条带一样的电磁输运特性。由于大量制各具有平滑边缘的石墨烯纳米条带在当前还是一个科技难题,我们的发现可为利用粗糙边缘石墨烯条带设计和制备高性能的电子器件提供理论支持并具指导意义。理想齿型石墨烯纳米条带则具有磁性边缘态而椅型石墨烯纳米条带则不具备。基于第一性原理,我们研究了介于椅型与齿型之间的具(2,1)边缘结构的手性石墨烯纳米条带的电子结构和自旋极化问题,发现此类石墨烯条带具有更加丰富的电子结构和自旋极化特性：边缘钝化的手性石墨烯纳米条带的能隙随着其宽度的增加以6为周期明显地变小,边缘非钝化的体系在费米能附近具有对偏压大小很敏感的自旋极化的导电边缘态,可使体系产生自旋相关的输运行为和负微分电阻效应；依据取代位置及取代位组合方式的不同,氮取代可使体系呈现出金属或半导体特性,并且在某些型态时可能存在非边缘形态的白旋极化；而边缘双氢化的体系,则具有丰富多样的自旋极化形态。我们的研究为利用石墨烯条带设计电学和磁学器件提供了一种新的思路。另外,我们研究了分子结中电子的相位相干性。我们探讨了共轭侧链的长度效应的物理机构并研究其阻抗效应,得到了环型分子节中主链电子相位差与侧链长度之问的关系。揭示了分子电路中电子相位的化学可控性,对预测干涉的存在性和利用量子干涉进行分子信息器件设计具有理论支持和指导意义。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-15
插图索引  15-17
附表索引  17-18
第1章绪论  18-25
  1.1 引言  18-19
  1.2 研究背景  19-21
  1.3 研究日的和意义  21-22
  1.4 研究的主要方法和内容  22-25
第2章理论和研究方法  25-66
  2.1 分子动力学模拟  25-30
    2.1.1 统计平均  26-27
    2.1.2 运动方程  27-29
    2.1.3 势场与截断  29
    2.1.4 周期性边界条件  29-30
    2.1.5 蒙特卡罗方法  30
  2.2 玻尔兹曼输运方程  30-32
  2.3 电流的量子测量  32-35
  2.4 电子结构计算  35-45
    2.4.1 Born-Oppenheimer近似  36-37
    2.4.2 Hartree-Fock方法  37-40
    2.4.3 密度泛函理论  40-45
  2.5 量子输运理论  45-66
    2.5.1 散射问题  45-46
    2.5.2 Landauer理论  46-50
    2.5.3 格林函数方法  50-57
    2.5.4 非平衡态格林函数方法  57-66
第3章分子间的耦合效应对双分子体系电荷输运性能的影响  66-72
  3.1 引言  66-67
  3.2 模型和计算方法  67
  3.3 结果及其讨论  67-71
  3.4 本章小结  71-72
第4章碳纳米管异质结的结构因子及其负微分电阻效应  72-79
  4.1 引言  72-73
  4.2 碳纳米管异质结的大小和长度效应  73-74
  4.3 碳纳米管异质结中的负微分电阻现象  74-76
  4.4 双碳纳米管异质结中的NDR现象  76-78
  4.5 本章小结  78-79
第5章碳纳米管电极粗糙截断面与机控分子电导开关  79-91
  5.1 引言  79
  5.2 CNT-分子-CNT结  79-85
    5.2.1 分子动力学模拟  79-81
    5.2.2 量子化学计算  81-82
    5.2.3 非平衡态格林函数输运计算  82-84
    5.2.4 伏安特性曲线  84-85
  5.3 手性相关性  85-87
  5.4 机控电导开关  87-90
  5.5 本章小结  90-91
第6章齿型/椅型石墨烯条带异质结的设计及其电子输运性能研究  91-102
  6.1 引言  91-92
  6.2 结构设计和计算细节  92
  6.3 结果与讨论  92-101
    6.3.1 零偏压电导振荡  92-94
    6.3.2 GNR-HJs异质结的整流行为  94-95
    6.3.3 GNR-HJs异质结的界面效应  95-98
    6.3.4 具有极强整流效应的“T”型异质结  98-100
    6.3.5 GNR同质结  100-101
  6.4 本章小结  101-102
第7章氢化碳原子层的隔离效应与石墨烯纳米条带的输运性能增强  102-113
  7.1 引言  102-103
  7.2 结构设计和计算细节  103-104
  7.3 结果和讨论  104-112
    7.3.1 氢化碳原子层的隔离效应  104-108
    7.3.2 类边缘态  108-109
    7.3.3 极化电流的振荡性  109-110
    7.3.4 粗糙边缘态的屏蔽  110-111
    7.3.5 整流效应  111-112
  7.4 本章小结  112-113
第8章手性石墨烯纳米条带电子结构和磁特性的边缘修饰调控  113-122
  8.1 引言  113
  8.2 结构与方法  113-115
  8.3 结果和讨论  115-121
    8.3.1 边缘饱和的手性石墨烯纳米条带的输运能隙  115
    8.3.2 边缘非饱和的(2,1)-GNR的边缘态  115-116
    8.3.3 边缘非饱和手性石墨烯纳米条带的伏安特性曲线  116-117
    8.3.4 边缘碳原子氮取代与非边缘态自旋极化  117-119
    8.3.5 边缘碳原子双氢化效应  119-121
  8.4 本章小结  121-122
第9章分子侧链的阻抗效应与环型分子体系电荷输运性质的调控  122-129
  9.1 引言  122-124
  9.2 环型分子结的构型及其优化过程  124
  9.3 分子侧链的阻抗效应  124-127
  9.4 环型分子结的电荷输运性能  127
  9.5 质子化环型分子结中的驻波  127
  9.6 本章小结  127-129
第10章基对间的氢键和堆垛结构在DNA电学测序中的重要性  129-134
  10.1 引言  129
  10.2 DNA基对结的构型及其优化过程  129-131
  10.3 电流-距离关系及其讨论  131-133
  10.4 本章小结  133-134
第11章结论  134-137
参考文献  137-152
附录A 攻读学位期间已发表及待发表的论文  152-154
附录B 攻读学位期间参与的科研项目  154-155
致谢  155

基于碳基分子体系电荷输运的量子调控机理与应用研究

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