基于吡啶环和硅氧烷环分子器件的电子输运性质

发布时间：2020-11-17 09:05

　　 分子器件以独特的尺寸和性能优势在纳米电子学中备受关注,它是集成电路的基本元件,应用较为广泛,包括逻辑和存储器件、智能材料、传感器、分子电动机、分子规模晶体管等,目前发达国家已将分子器件列为重点研发对象。分子器件的电子输运性质以及多种因素对输运性质的影响在器件应用中至关重要,故分析电子输运机制、探索新型分子、探究电极等部件对输运性质的影响是分子电子学亟需解决的问题。吡啶分子凭借其特色吡啶环在高导电性分子器件中备受关注,本文采用基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法的第一性原理首先探究了不同电极材料(三维金属电极:金、银、铜;二维石墨烯电极;不同宽度的一维窄锯齿状石墨烯纳米带电极)对基础吡啶小分子器件电子输运性质的影响。结果表明:由4原子宽锯齿状石墨烯纳米带电极构建的基础吡啶分子器件的电子输运性能最佳,主要表现在该种器件在费米能级处的电子透射率最高,这是由其扩展的电子态决定的;只有该种器件呈现出有应用价值的负微分电阻效应,这是初始输运主导轨道影响力衰弱导致的;吡啶小分子与该电极之间的耦合力最强。基于性能最佳的一维窄锯齿状石墨烯纳米带电极,本文对比分析了两类吡啶分子(共轭类和饱和链桥连接类)器件的电子输运性质,结果表明:这两类分子器件以其特有的分子和电极均展示出优异的非平衡电子输运行为。共轭吡啶分子器件由于其始终离域的电子态具有较大的电流;主导输运轨道的更替使其呈现出双峰到单峰的透射峰演变;初始主导输运轨道因远离费米能级而对电子输运影响力减弱使其产生较强的负微分电阻效应。相比之下,饱和链桥连接的分子器件则具有多段负微分电阻效应,低偏压下的该效应是在主导输运轨道远离费米能级时较高的速度和局域电子态的共同作用下产生的;主导输运轨道明显不对称的电子态和对正负偏压完全不同的响应使其呈现出整流效应。这些物理效应表明它们在高速逻辑器件的开发中具有广泛的潜在应用,显示了窄锯齿状石墨烯纳米带电极和吡啶分子在分子电子学中的光明应用前景。分子绝缘体与分子导体同样重要,它可以防止分子阵列中导体之间的电子串扰,在单分子电子元件开发中起着关键作用。受吡啶环启发,突破线性分子绝缘体的研究局限,本文对比烷烃环分子器件,研究了环状硅氧烷分子器件的电子输运性质。结果表明:硅氧烷分子环呈现出高度局域化的电子态,使得硅氧烷环分子器件的电子输运具有更强的受抑制状态,更快的尺寸依赖性衰减速度,这主要是由硅氧烷环独特的电子耦合模式决定的,而这电子耦合模式则归因于Si-O键的强极性,极性导致了电荷局域化,使得硅氧烷环的电子耦合较弱,抑制了电子输运。烷烃环分子器件的输运衰减则源于电荷转移过程中的电子局域化程度的加剧,实际上也就是分子-电极界面处的势垒的增强。此外,分子环整体结构波动程度的增加致使分子环器件的电子输运衰减。这些研究结果表明了硅氧烷分子环用作分子绝缘体的优越性。本文从分子类型、尺寸和电极的角度探究了环状分子器件的电子输运性质,预测了多个不同的功能性分子器件。本文的研究成果有助于深入理解分子器件的输运性质,为功能性分子器件的设计和应用提供理论支持,为推动环状分子在集成电路中的应用具有重要意义。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TB383.1;TN40
【部分图文】：

山东大学博士学位论文??哗厂?ｆ＾ｒｗ＾?ｘｍｍ?ｎ??ｉ?；?＞?ｉ??１?．?．?：．?ＬＯＭ?■■吻??图１．２?ＳＴＭ原理图：（ａ）?ＳＴＭ操作示意图［２Ｉ』。（ｂ）实验观测的明暗交替的分子形貌＃１。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ＳＴＭ：?（ａ）?Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＳＴＭ．?（ｂ）?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ??ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ?ｌｉｇｈｔ?ａｎｄ?ｄａｒｋ．??而真正对单分子的测量则是利用力学可控劈裂技术（ＭＣＢＪ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ??Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ?Ｂｒｅａｋ?Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）实现的［２２］，利用此方法可以测量单分子的电输运情??况，同时这也是制备单分子器件常用的技术［４６］。具体操作如下，将金纳米线固??定在微米尺寸的绝缘膜上，膜吸附在具有较好弹性的磷青铜板上（称为控制板），??板中下方有支撑柱。通过按压板两侧悬臂来拉伸金线，压力越大，金线越细，直??至出现缝隙，正如图１．３ａ所示；压力变小时，板弯曲度变小，裂隙又会重新接??合正如图１．３ｂ所示。??＊?丨?＝??Ａｕ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ！?ｔｒｏｎｚｅ?ｎ?．?ｊｉｗ？ｉ??图１．３ＭＣＢＪ技术操控原理图［４７］：?（ａ）操作示意图。（ｂ）裂缝观察图。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?ＭＣＢＪ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｄｉａｇｒａｍ：?（ａ）?Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）??Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ?

山东大学博士学位论文??哗厂?ｆ＾ｒｗ＾?ｘｍｍ?ｎ??ｉ?；?＞?ｉ??１?．?．?：．?ＬＯＭ?■■吻??图１．２?ＳＴＭ原理图：（ａ）?ＳＴＭ操作示意图［２Ｉ』。（ｂ）实验观测的明暗交替的分子形貌＃１。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ＳＴＭ：?（ａ）?Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＳＴＭ．?（ｂ）?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ??ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ?ｌｉｇｈｔ?ａｎｄ?ｄａｒｋ．??而真正对单分子的测量则是利用力学可控劈裂技术（ＭＣＢＪ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ??Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ?Ｂｒｅａｋ?Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）实现的［２２］，利用此方法可以测量单分子的电输运情??况，同时这也是制备单分子器件常用的技术［４６］。具体操作如下，将金纳米线固??定在微米尺寸的绝缘膜上，膜吸附在具有较好弹性的磷青铜板上（称为控制板），??板中下方有支撑柱。通过按压板两侧悬臂来拉伸金线，压力越大，金线越细，直??至出现缝隙，正如图１．３ａ所示；压力变小时，板弯曲度变小，裂隙又会重新接??合正如图１．３ｂ所示。??＊?丨?＝??Ａｕ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ！?ｔｒｏｎｚｅ?ｎ?．?ｊｉｗ？ｉ??图１．３ＭＣＢＪ技术操控原理图［４７］：?（ａ）操作示意图。（ｂ）裂缝观察图。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?ＭＣＢＪ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｄｉａｇｒａｍ：?（ａ）?Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）??Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ?

电极界面具有不稳定性，所以同一个分子在构建分子器件时也??会存在电输运的差异。??基于此，原子力显微镜（ＡＦＭ，?Ａｔｏｍｉｃ?Ｆｏｒｃｅ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）法、电化学辅助??组装技术、ＳＴＭ与ＭＣＢＪ相结合的电化学ＳＴＭ劈裂法（ＳＴＭ－Ｂｒｅａｋ?Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）??等经典的单分子器件组装技术也发展起来。??同样，ＡＦＭ也采用探针扫描技术，不仅可以构建分子结（分子搭在距离控??制在纳米数量级的探针和表面镀金的基底之间即可），还可以同时测量分子的电??学和力学性质。工作原理如图１．４所示当探针扫描基底表面时，位于接通电??源悬臂（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）上的感应器会输出探针所受的力；当一个微弱偏压施加在探??针和基底之间时，分子结的电学和力学性质随其间距的变化情况就可以同时被测??出。??目前，这三种技术方法结合起来形成了传导性的力学可控劈裂法，不仅能够??制备分子结，还能同时实现对分子结电学和力学性质的测量【４９］。??４０??１￣￣?■??１???＊?Ｐｈｏｉ＾ｄｄｃｃｌｏｒ?ｒ｜ｌ－？ｅｒｄｉａｓｅ?ｂ?＿Ｈ?⑵??＼?￣２，＜ｖ）?ｊｔ??２?，ｒ＾Ｃ＇?＾－Ｓａｍｐｌｅ?ｓｔａｇｅ?ｃ??ＩＦ一ａｃ广，ｃｕｉ，?Ｉ?ａ?＂１０?Ａ?Ｔ?＇??Ｖｖ?Ｚ７?／ｍ／／??丨?Ｃ。一丨Ｌ?—卜一二?ｅｉ，咖?ｊ?￣￣－￣￣—￣￣＾??Ｔｉｐ?ｂｉａｓ?（Ｖ）??图１．４ＡＦＭ工作原理图ｌ４８』：（ａ）操作示意图。（ｂ）实验上测量的电流－电压曲线图。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?ＡＦＭ?ｔｅｃｌｉｎｏｌｏｇｙ＾?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｄｉａｇｒａｍ：?（ａ）?Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｓｃｈｅ
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 谢芳;张杏堂;范志强;张小姣;余济海;许华;褚玉芳;;分子旋转对分子器件电子输运性质的影响[J];物理化学学报;2016年06期

2 张逸飞;;探究微观世界的电阻——分子开关与分子器件[J];科学中国人;2017年21期

3 姚绍明,陈维平;构建分子计算机的主要分子器件[J];化学进展;1991年01期

4 徐胜军;俎凤霞;陈忆兰;熊伦;刘敏敏;;有机噻吩分子器件的研究进展[J];广东化工;2017年03期

5 杨立英;;分子器件 数据聚焦分析[J];科学观察;2006年06期

6 侯长军;张红英;霍丹群;罗小刚;法焕宝;张国平;;卟啉分子器件研究进展[J];传感器与微系统;2010年05期

7 朱道本;;分子器件 中国科学家谈科学[J];科学观察;2006年06期

8 王玺皓;王丽华;;苯环间的扭转角对分子器件整流特性的影响[J];科技与创新;2017年12期

9 刘云圻,朱道本;分子器件[J];物理;1990年05期

10 王利光;陈蕾;李勇;郭良;田上胜规;塚田捷;;电极耦接变化对分子器件电子输运特性影响的研究[J];人工晶体学报;2008年01期

相关博士学位论文 前10条

1 李洁;基于吡啶环和硅氧烷环分子器件的电子输运性质[D];山东大学;2020年

2 陈伟;单分子功能器件设计的第一性原理研究[D];南京邮电大学;2017年

3 何军;新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计[D];湖南大学;2012年

4 成珏飞;卟啉基分子器件的电磁输运性质研究[D];苏州大学;2016年

5 万海青;新型功能分子器件的第一性原理研究[D];湖南师范大学;2013年

6 冯晓燕;分子器件的电子输运性质和表面磁性杂质的电子结构的理论研究[D];中国科学技术大学;2013年

7 李明君;苯基D/A分子器件电子输运性质的理论研究[D];中南大学;2013年

8 蔺丽丽;分子器件弹性和非弹性电子输运性质的理论研究[D];山东师范大学;2011年

9 伍晓赞;新型碳基分子器件的电子输运性质的第一性原理研究[D];中南大学;2013年

10 安义鹏;低维纳米系统电子输运性质的理论研究[D];复旦大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴清清;界面构形对分子器件电子输运性质的影响[D];安徽大学;2015年

2 杨英;有机噻吩分子器件的电子输运性质研究[D];西南交通大学;2013年

3 李美华;铬卟啉分子器件自旋电子输运性质研究[D];吉首大学;2019年

4 闫瑞;导线非共线的分子器件输运性质的第一性原理研究[D];北京交通大学;2018年

5 杨爱云;基于石墨烯电极分子器件的电输运性质研究[D];西安工程大学;2018年

6 孙伟誉;准一维分子器件自旋电子输运性质的调控研究[D];长沙理工大学;2018年

7 马志远;轮烯分子器件的电子输运和光电性能的第一性原理研究[D];太原理工大学;2017年

8 初蕾;末端基团和分子长度对分子器件电输运性质影响的理论研究[D];山东师范大学;2017年

9 张航;功能化有机小分子器件中的电荷传输机理研究[D];湖南大学;2012年

10 叶贵;分子器件的设计及其电荷输运性质的理论模拟研究[D];中国科学技术大学;2015年

本文编号：2887318