单分子整流器件的理论研究进展简介

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摘要：分子整流的研究在过去40多年中取得了显著进展。本文介绍了Aviram-Ratner分子模型以及分子水平整流机理，对分子整流的理论研究部分进行了简要的回顾总结。并简述了人们利用非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的方法研究分子整流行为，同时提出了研究中存在的整流比问题及解决方法。63366

毕业论文关键词：分子整流，Aviram-Ratner模型，非平衡格林函数，密度泛函理论

Abstract: The molecular rectification has received great progress in the latest 40 years. In this paper, we described the detail of Aviram-Ratner type molecular diode and related molecular rectification mechanisms. The theoretical investigation of molecular rectification is briefly reviewed and summarized. And outlines the results using Nonequilibrium Green Function combined with the Density Functional Theory method to study the behavior of molecular rectification. At the same time, the problems of increasing rectify ratio found in the research and the solutions to them are raised.

Keywords: Molecular diode, Aviram-Ratner model, Nonequilibrium Green Function, Density Functional Theory

1 前言 4

2 分子整流器模型 4

2.1 Aviram-Ratner分子模型介绍 4

2.2 分子整流理论解释 5

2.3 单分子整流比的理论极限 6

2.4 增大分子整理比之路 7

2.5机理解释 7

结论 8

参考文献 9

致谢 14

1 前言

自从设想将单分子作为电子器件的基本构筑单元，研究分子水平的电子输运现象成为人们研究的重点。基于分子基础，人们设计了分子导线、分子整流器、分子开关和分子存储器等分子器件[1]。分子整流器是未来分子电子学中一个重要的功能单元，也是人们一直实验和理论研究的中心。

在过去的几十年中，基于有机分子整流器件模型，人们提出了几类分子整流机制。如最早的Aviram-Ratner分子模型[2]，也常称为D-σ-A型，这里D和A取自有机化学的概念，D代表给体（Donor），A代表受体（Acceptor）。类似的，根据Aviram-Ratner模型，人们研究比较多的为D-π-A型，其中连接给受体的桥为共轭π的电子有机分子桥。也有人认为在实际中，对于π桥的体系，由于在电荷分离方面与理论设想的Aviram-Ratner模型差异较大，其电荷的整流效果大打折扣，不是理想的分子材料。为了克服该问题，人们通过增加π桥部分的长度和在π桥分子上的引入取代基团来改善给受体之间的电荷分离效率和大小[3]。对于桥的设计，反过来人们也发现对于D-A型的分子，尽管不满足Aviram-Ratner模型当初的设计文献综述，但对于该类分子材料实验和理论研究都发现具有一定的整流效率，如Lu课题组设计的双苯环-双嘧啶分子，通过调整质子化位置可以改变分子的整流效率，实验发现对于该类分子在电压±1.5V处整流值约7[4]。

基于反对称思想，人们衍生设计了多种类型的分子整流器，如分子本身结构的反对称性，不同功能基团反对称取代共轭分子，利用不同电极材料而获得整流效果，另外利用分子与电极表面的反对称耦合作用以及基于分子构型可变的整流器模型等等[5]。近年来，不管是实验还是理论研究中，人们都在不断探索和实现分子整流器。在本论文中，我们试图总结最近几年的一些理论进展，为开展下一步工作做前期准备。