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随着现代科技的飞速发展,器件逐渐趋向小型化,传统无机半导体材料制成的器件已经越来越接近尺寸的极限。近几年来,受益于自组装膜、扫描隧道显微镜以及分子单层和单分子等实验技术的成熟,人们可以在分子尺度下来操控构建信息技术所需的功能器件,从而使分子电子学成为一门新兴的学科和研究热点。
广泛应用于分子器件中的有机分子及聚合物大都具有准一维链式分子结构,且分子内存在较强的电子-声子耦合。电子或空穴在注入其中后会引起晶格的畸变,而晶格畸变反过来又影响着荷电载流子的输运行为,从而使有机分子及聚合物具有不同于传统半导体的特征。预描述有机体系中电荷的输运行为,就要充分考虑有机材料中较强的电-声耦合内禀特性。所以本论文基于紧束缚的Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型,结合非平衡态格林函数方法,模拟了载流子在金属/聚合物/金属结构中的电荷输运过程。我们选取了几种实验上常用的有机分子及聚合物,包括聚对苯撑、聚对苯乙炔和聚噻吩,选择金作为电极材料。
首先研究了聚对苯撑和聚对苯乙炔的输运性质,通过先分析孤立分子的晶格位形和能级结构,再运用非平衡态格林函数方法计算其I-V性质,然后与聚噻吩的输运性质进行对比。研究发现聚噻吩结构中出现了明显的负微分电阻(Negativedifferentialresistance,NDR)效应。通过进一步计算电子透射率谱,并借助约化密度矩阵方法得到了聚噻吩分子的晶格位形及能谱解释了NDR效应产生的原因。研究表明偏压下分子经历了从均匀到二聚化状态的改变,导致了NDR效应的发生。通过改变耦合强度λ(λ=2α2/Kπt0),发现刚性晶格不会出现NDR效应。接着我们将聚对苯撑和聚对苯乙炔的输运性质与聚噻吩进行对比,得到聚噻吩中异质硫原子两侧的碳原子-碳原子之间电子跃迁的影响是导致产生NDR效应的关键。