石墨烯纳米带电极有机分子结电子输运及自旋调控研究
发布时间：2021-03-04 05:18
利用分子的电学性质制备多功能、高性能的分子电子器件,已经成为分子电子学的研究热点之一。基于分子特殊的电学性质,已经构建出功能各异的分子开关、分子存储器、分子整流器、自旋阀及分子导线等分子电子器件。有机共轭小分子及其低聚物具有容易合成、来源广泛、方便使用化学结构进行修饰、结构可调等优点,常常被用来构造分子器件。基于密度泛函理论结合非平衡格林函数第一性原理计算方法,本文研究了石墨烯纳米带非磁性电极、磁化电极情况下的同分异构喹啉分子结和苯醌分子结的电子输运性质,发现了双自旋二极管效应、自旋滤波效应、负微分电阻效应、开关效应和分子整流效应等独特的电子输运性质。主要研究内容如下:第一章介绍了电子器件的定义,并简单分析了电子器件由硅基半导体材料向微观分子方向发展的原因;然后简单介绍了分子电子器件的研究进展及负微分电阻现象、自旋过滤现象、分子整流现象和分子开关效应,最后介绍了分子电子器件材料及本文的研究内容及其科学意义。第二章介绍了分子电子器件输运理论计算方法,通过密度泛函理论、非平衡格林函数的方法,以及由密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法推导出双探针分子电子器件输运性质计算的透射系数、电流和...
【文章来源】：吉首大学湖南省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
负微分电阻现象，引自文献[13]
第1章绪论第3页利用密度泛函计算理论方法成功地解释了OPE分子非线性电流特性的原因，而在2001至2002年期间，Fan等人致力于硝氨基的OPE分子的实验，并且从实验上论证了含硝氨基的OPE分子的确能够实现负微分电阻效应[15,16]。2003年，西北大学的Guisinger等人[17]采用扫描隧道显微镜方法测量了硅表面单个有机分子的电荷输运性质，实验观察到了明显的负微分电阻现象，如图1.2所示。如今，负微分电阻现象在生活中已经有了广泛的应用，如快速电子开关、放大电路等。图1.2有机单分子Styrene束缚在n型硅表面出现的NDR效应。（a）模型图；（b-c）STM技术结果展示图；（d-e）I-V曲线图展示明显的NDR效应，引自文献[17]。科学家们对于产生负微分电阻现象的原因分析主要有以下几个方面：分子及电极间的相互作用[18,19]，整个器件内部原子间的电荷的转移[20,21]分子上面连接的侧基团的影响[22,23]，分子在偏压下导致的分子结构的变化从而引起的分子能态变化[24]，分子在传输当中的电子传输通道的影响[25]等。1.3.2自旋过滤现象就一个分子电子器件来说，电子仅存在自旋向上与自旋向下方向。当一个自旋方向上的电子呈现出导体的性质，即这个自旋方向上电流能够通过；而另一个自旋方向上的电子则呈现出绝缘体的性质，即这个自旋方向上电流不能够通过，这种输运现象称之为自旋过滤现象。
第1章绪论第4页图1.3苯分子器件模型示意图和I-V曲线，引自文献[26]。自旋过滤概念最早是由美国物理学教授Moodera提出的[27]，Moodera等人在1988年的Au/EuS/Al隧道结中的隧道电流中观察到多达80％的电子自旋极化。随后，从理论上研究自旋过滤现象开始兴起、发展。比如，人们通过第一性原理的方法研究了以金作为电极、用硫原子连接的小分子做中心区的分子器件[28,29]。SabyasachiSen和SwapanChakrabarti[26]用金作为电极，中间通过钴原子Co来连接单苯分子，发现在低偏压下，器件的自旋极化率可以达到99%。图1.4单碳链分子器件及其自旋过滤效应，引自文献[30]。除了用金属作为电极以外，人们还利用石墨烯、二硫化钼等二维层状材料作为电极。Zeng等人用两个锯齿型石墨烯纳米带作为电极，单原子碳链作为中心区，（如图1.4所示）构建了具有自旋过滤功能的分子器件[30]，他们通过改变连接在电极之间的中心区单原子碳链中的碳原子奇偶数目，来进行全碳分子器件的自旋输运行为的研究。研究发现，当器件的锯齿型石墨烯纳米带电极处于平行状态时，器件呈现出100%的自旋过滤效应，并且这种自旋过滤效应与中心区碳链中碳原子数目没有关系。Fan等人[31,32]研究了锯齿型石墨烯纳米带电极中间加分子和分子氧
本文编号：3062632
【文章来源】：吉首大学湖南省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
负微分电阻现象，引自文献[13]
第1章绪论第3页利用密度泛函计算理论方法成功地解释了OPE分子非线性电流特性的原因，而在2001至2002年期间，Fan等人致力于硝氨基的OPE分子的实验，并且从实验上论证了含硝氨基的OPE分子的确能够实现负微分电阻效应[15,16]。2003年，西北大学的Guisinger等人[17]采用扫描隧道显微镜方法测量了硅表面单个有机分子的电荷输运性质，实验观察到了明显的负微分电阻现象，如图1.2所示。如今，负微分电阻现象在生活中已经有了广泛的应用，如快速电子开关、放大电路等。图1.2有机单分子Styrene束缚在n型硅表面出现的NDR效应。（a）模型图；（b-c）STM技术结果展示图；（d-e）I-V曲线图展示明显的NDR效应，引自文献[17]。科学家们对于产生负微分电阻现象的原因分析主要有以下几个方面：分子及电极间的相互作用[18,19]，整个器件内部原子间的电荷的转移[20,21]分子上面连接的侧基团的影响[22,23]，分子在偏压下导致的分子结构的变化从而引起的分子能态变化[24]，分子在传输当中的电子传输通道的影响[25]等。1.3.2自旋过滤现象就一个分子电子器件来说，电子仅存在自旋向上与自旋向下方向。当一个自旋方向上的电子呈现出导体的性质，即这个自旋方向上电流能够通过；而另一个自旋方向上的电子则呈现出绝缘体的性质，即这个自旋方向上电流不能够通过，这种输运现象称之为自旋过滤现象。
第1章绪论第4页图1.3苯分子器件模型示意图和I-V曲线，引自文献[26]。自旋过滤概念最早是由美国物理学教授Moodera提出的[27]，Moodera等人在1988年的Au/EuS/Al隧道结中的隧道电流中观察到多达80％的电子自旋极化。随后，从理论上研究自旋过滤现象开始兴起、发展。比如，人们通过第一性原理的方法研究了以金作为电极、用硫原子连接的小分子做中心区的分子器件[28,29]。SabyasachiSen和SwapanChakrabarti[26]用金作为电极，中间通过钴原子Co来连接单苯分子，发现在低偏压下，器件的自旋极化率可以达到99%。图1.4单碳链分子器件及其自旋过滤效应，引自文献[30]。除了用金属作为电极以外，人们还利用石墨烯、二硫化钼等二维层状材料作为电极。Zeng等人用两个锯齿型石墨烯纳米带作为电极，单原子碳链作为中心区，（如图1.4所示）构建了具有自旋过滤功能的分子器件[30]，他们通过改变连接在电极之间的中心区单原子碳链中的碳原子奇偶数目，来进行全碳分子器件的自旋输运行为的研究。研究发现，当器件的锯齿型石墨烯纳米带电极处于平行状态时，器件呈现出100%的自旋过滤效应，并且这种自旋过滤效应与中心区碳链中碳原子数目没有关系。Fan等人[31,32]研究了锯齿型石墨烯纳米带电极中间加分子和分子氧
本文编号：3062632
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