幾種分子電子學器件的電荷及自旋輸運的第一性原理研究.pdf

1、隨著微電子器件的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基電子器件即將達到物理和尺寸的極限。人們期待出現(xiàn)一種新的替代材料，以投入到將來的邏輯晶體管的應用中。具有納米尺寸的分子電子學器件被認為是下一代電子器件的理想候選之一，因此它已經引起了國內外越來越多研究人員的廣泛關注。分子電子學器件實際上就是一個分子結，它是分子電子電路中的一個基本的建構單元。這種分子結是將一個單分子或者是一個分子組（或是一個分子單層）夾在兩個金屬電極之間所組成。本論文通過非平衡格林函數(shù)結

2、合密度泛函理論的方法對幾種單分子結的量子輸運屬性進行了理論研究。其主要研究內容如下：
　　一、設計了一個單分子電子學器件，它是由單個噻吩分子夾在兩個一維的金電極之間構成。兩種不同的接觸界面被研究，一種是將分子通過兩端的S基對稱地連接到兩邊的金表面，另一種是非對稱結構，將分子的一端通過巰基(-S)連接到金表面，而另一端通過H原子物理吸附到金表面。計算的電流電壓曲線顯示了奇異的負微分電阻和整流效應，同時還伴隨著振蕩特性。這些現(xiàn)象在過去

3、他人的理論與實驗結果中并未發(fā)現(xiàn)。導致上述效應的原因是本文所使用的一維金電極，在電極原胞中，與輸運垂直的方向上都加了足夠的真空層，切斷了分子與分子之間的相互作用。
　　二、設計了一個基于單分子磁體的自旋電子學器件。構造了兩種磁分子結，一種是使用金電極構造的Au-Fe4-Au器件，首次執(zhí)行了自旋極化的輸運研究，并預言該器件同時具有自旋閥、負微分電阻和自旋過濾效應。同時，也發(fā)現(xiàn)連接分子與電極的配位基對自旋極化的輸運有著重要的影響。另一種

4、器件是使用當前研究的熱門石墨烯為電極，構成Graphene-Fe4-Graphene分子自旋場效應管。那么，為什么要選擇石墨烯作電極？過去，以鐵磁金屬作電極的分子自旋場效應管由于鐵磁金屬表面易氧化的問題，導致在實際的生產制造中遇到了極大的困難。而用石墨烯作電極則可以有效地避免這一難題，同時，石墨烯在室溫下具有很好的穩(wěn)定性，這為在室溫的環(huán)境中研究磁分子的自旋極化的輸運提供了保障。計算結果表明通過這個磁分子結的自旋極化的輸運可以用門電壓來調

5、控，是一個典型的分子自旋場效應管。
　　三、以上兩種單分子器件所采用的中心分子都屬于一維體系，現(xiàn)在我們將研究的內容拓展到二維材料。自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維層狀結構的材料受到了人們的廣泛關注。因為它們的厚度可以縮小到幾個納米甚至更小，同時會伴有一系列新奇的物理、化學等屬性。盡管石墨烯一直被認為是未來晶體管的最有競爭力的候選，但是它的零帶隙本質限制了它的實際應用潛能。與石墨烯不同，具有類似層狀結構的MoS2由于自身固有的半