论文导读：定性讨论了探针压力对分子膜电输运性质的影响。本工作选用的分子为十一碳烷烃硫醇分子。忽略了分子间的相互作用对分子膜电输运性质的影响。烷烃硫醇分子，压力对硫醇分子膜电输运性质的影响*。
关键词：压力，烷烃硫醇分子，电输运性质，分子电子学
1 引言
基于分子材料的器件涉及到各种薄膜器件、单晶器件、自组装器件等，在分子尺寸上构筑电子器件，实现对单个分子或若干分子聚集体的光电子行为的控制，可以实现器件的高度微小化和集成化，是下一代电子器件的奋斗目标. 分子器件有两种发展趋势，其一是将无机材料替换为有机材料，增强分子材料的柔性，其二是更加注重单分子的特异性功能，力争实现超高性能器件. 由于有机分子易于合成，并且特定的分子具有一些特定的功能，因此近几年来，无论是实验还是理论上都在寻找和研究这些具有特定功能的分子材料，又加上扫描探针显微镜技术的发展和对纳米尺寸器件的研究，为进一步构筑新一代分子电子器件打下了坚实的基础. 尤其是2000年以后，单分子科学在理论和实验上都有了很大的发展，人们在实验室里也初步制成了一些分子器件，并对这些分子器件的电学特性进行了测量[1-9] . 在实验取得重大进展的同时，理论工作者发展了各种方法来理解分子器件的工作原理，寻找分子结构和分子电学性质的关系，其中Ratner、Datta、Hall.等人[10-15]发展了弹性散射格林函数理论用于研究分子结的电子输运特性，取得了较好的结果. 我们利用此方法也进行了大量的计算[16-18]， 取得了较好的结果.
硫醇类分子能在金属表面形成一层稳定且致密有序的自组装单层膜，这种膜的制备方法简单可控，因此被广泛应用于分子器件领域的研究中[7-9]，硫醇分子自组装膜的电输运特性受到很多理论和实验研究工作者的关注. 在文献[8、9]中，中国科技大学大学胡海龙等人采用导电原子力显微镜(CAFM)对硫醇分子自组装单层膜进行了电输运的测量，发现硫醇分子自组装膜的电导随着针尖压力的增大而增加，分析原因主要是随着压力的改变自组装硫醇分子相对于衬底的倾角发生改变，从而压缩了分子链间的距离，增加了分子膜链间的隧穿电流，而电荷的链内隧穿不依赖于压力的变化.
同大多数实验一样，上述测量是对分子膜进行的，而在理论计算方面，人们较多的关注了单分子的导电特性，忽略了分子间的相互作用对分子膜电输运性质的影响，很大程度上导致理论和实验结果数值上相差较大. 本文对上述实验中的分子膜进行了合理的模拟，考虑了分子间相互作用，利用密度泛函理论对分子与金电极构成的分子结进行了电子结构的计算，利用弹性散射格林函数方法对分子结的电子输运特性进行了研究，定性讨论了探针压力对分子膜电输运性质的影响，理论结果与实验符合较好，找到了电子在分子结内的输运机理，本文工作对未来分子器件的设计有一定的意义.
2 理论方法简介
对由金属电极-分子-金属电极的连接器件来说，根据文献[10-15]，仅考虑弹性散射过程，在Z方向上施加电压后可得电流密度：
 （1）
其中，V 是在Z方向上外加电压，Ef是费米能量，T是温度， 为利用弹性格林函数法得到的输运函数， 为电子源z方向上的态密度，进一步可得电流:
 (2)
分子的电导可表示为 （3）
要求出总电流，必须先求出输运函数，根椐弹性散射格林函数理论和文献[14]，从电子源S中的 态到电子源D中 态的跃迁矩阵元可以表示为：
 （4）
其中 代表不同的原子， 代表扩展分子， 是能级展宽，从而能量为E的电子从电极S到电极D的输运函数为：
 （5）
其中耦合常数：
 （6）
耦合常数的值可通过计算原子轨道间相互作用得到，而原子轨道间相互作用的计算可以直接利用基函数进行积分求得，也可利用Gaussian03 程序的输出结果解矩阵方程获得.
进一步得到迁移强度（跃迁几率）：
  （7）
3 模型和方法
本工作选用的分子为十一碳烷烃硫醇分子，分子的末端基团分别为甲基（ ）和巯基（ ）. 分子与电极的接触存在多种可能性，无论在实验上还是理论研究方面尚无定论，我们采用以下方式进行模拟，即分子在与金电极形成接触的时候，巯基( )中的氢原子被解离，S原子位于金原子空位上，利用孤对电子与具有空价轨道金原子形成配位键，另一端的甲基（）与金电极形成物理吸附. 本工作选9个金原子组成的金平面（111面）来模拟金电极，Au-Au之间的距离固定为金的晶格常数0.288nm.
为了寻求电子在分子膜内的输运过程，考虑到分子间的相互作用，同时为了便于比较，我们对电极-分子-电极组成的扩展分子采用了以下两种构型，如图1所示. 其中构型（a）与大部分理论研究一样，为单分子连接，构型（b）将两分子置于两电极之间，两分子平行放置，分子垂直间距分别为0.666nm.，为双分子连接.
图1 扩展分子图（a）：单分子 （b）：双分子
本工作中我们首先放开分子的所有坐标和金电极与分子的距离对分子与两个金电极构成的扩展分子进行了几何结构的优化，找到了分子与金电极之间的优化距离分别为 和 ，然后固定该距离进行电子结构的计算. 几何结构的优化和电子结构的计算在GAUSSIAN03程序包上进行，计算方法采用杂化的密度泛函理论（B3LYP），选LanL2DZ作为基矢. 分子器件的电输运性质利用弹性散射格林函数方法在QCME程序包中完成.
1/2 1 2 下一页 尾页 |
