基于ATK的一维分子链负微分电阻效应计算

利用应用第一性原理计算软件Atomistix ToolKit（ATK）计算了由一维线性分子链（CpFeCpV）．和镍电极组成的两电极体系的负微分电阻效应．该计算方法基于电子密度泛函和非平衡态格林函数理论．通过对于不同结构下的伏安特性曲线的计算，我们预测了该体系中的负微分电阻效应，并讨论了末端基团和吸附位置对负微分电阻效应开始电压的有效调控．     

金电极晶面指数对C20富勒烯电子输运性质的影响

模拟金电极晶面指数（111）/（100）对C₂₀富勒烯电子输运性质的影响。计算结果表明,在Au（100）-C₂₀-Au（100）分子结的电流—电压曲线上可观察到新奇的负微分电阻现象,而Au（111）-C₂₀-Au（111）系统的电流随外加偏压的增大持续增长。     

掺杂对碳链的输运性质影响的第一性原理研究

该文用第一性原理非平衡格林函数方法研究了掺杂对7个碳原子组成的一维原子链的输运性质的影响.碳原子链放在具有有限截面的Al(100)电极中.特别地,我们选取了7种常见的气体分子(H2、O2、CO2、HCl、NO、NO2、SO2)作为研究对象,研究发现,气体分子的介入不但改变了碳链上电荷的分布,而且不同程度地减少了从电极转移到碳链和气体上的电荷数目,对体系输运性质产生很大的影响.特别地:放置H2时,使碳链体系的平衡电导由1.06 G0降为1.01 G0;而放置SO2时,使其平衡电导竟降到了0.1 G0.此外,研究放置各种气体分子时,体系的电流-电压(I-V)特性,在0~1.0 V的电压范围内,放置NO、HCl、NO2时出现了很大的负微分电阻,而放置O2、CO2时没有出现负微分电阻.     

连接在块体电极之间的PTCDI系列分子体系的输运性质

通过采用密度泛函理论与非平衡格林函数的相结合的第一性原理方法,对四甲酰二亚胺系列分子PTCDI-Cn(n=0,6)的电荷输运性质进行了理论计算.在计算中,PTCDI-Cn(n=0,6)分子分别与Al,Li以及石墨烯3种块体电极组成三明治结构分子结.从电流-电压曲线可知PTCDI-C6分子结体系中出现了负微分电阻以及整流等输运性质.结合透射谱以及投影态密度,对其输运性质进行了相应的分析.计算结果表明这类PTCDI系列分子在将来的分子尺度器件中具有较大的应用价值.     

连接在块体电极之间的PTCDI系列分子体系的输运性质（英文）

通过采用密度泛函理论与非平衡格林函数的相结合的第一性原理方法,对四甲酰二亚胺系列分子PTCDI-Cn(n=0,6)的电荷输运性质进行了理论计算.在计算中,PTCDI-Cn(n=0,6)分子分别与Al,Li以及石墨烯3种块体电极组成三明治结构分子结.从电流-电压曲线可知PTCDI-C6分子结体系中出现了负微分电阻以及整流等输运性质.结合透射谱以及投影态密度,对其输运性质进行了相应的分析.计算结果表明这类PTCDI系列分子在将来的分子尺度器件中具有较大的应用价值.     

非对称有机物分子HOOCC6H4（CH2）n输运特性的第一性原理研究

采用第一性原理非平衡格林函数方法研究了有机物分子HOOCC6H4(CH2)n置于2个铝电极之间时的导电性质.随着CH2数目n的增加,体系的平衡电导成指数减少.当n≥2时,体系的I-V曲线出现了很大的不对称性:加负电压时,通过分子的电流非常小;而加正电压时,电流随着电压的升高而急剧增大且在特定的电压处出现了很大的负微分电阻;当n=5时,得到了一个很好的整流系数为38.     

原子链耦合石墨烯电子输运性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论,运用非平衡格林函数的方法,对B直线原子链、N直线原子链、Si直线原子链耦合石墨烯纳米带构成分子器件的电子输运特性进行了第一性原理模拟,计算得到3种不同构型分子器件的平衡电导,分别为1.16 G0,0.79 G0,1.16 G0.电荷布局计算结果表明,原子链耦合石墨烯改变了原子链原子的局域态密度,为电子的传输提供了更多的隧穿模式.在0~1.2 V时,对于graphene+5B,graphene+5Si分子器件的电流随着电压的增大而增大,其I-V关系近似为线性关系,表现出金属导电特性;而对于graphene+5N分别在0~0.7 V,0.9~1.2 V时,I-V关系近似为线性,但在0.7~0.8 V时却存在负微分电阻现象.     

电极距离和外部电压对“金／有机分子／金”三明治型隧道结的电子传输特性影响

以“金／1,4-二氰基甲苯分子(C6H4(CN)2)／金”隧道结为研究对象,从第一性原理出发,计算了电极距离和外部电压2个因素对隧道结电子隧穿特性的影响。隧道结的开启电压随电极距离的变化不是单调的,从1.278nm到1.298nm,开启电压减小;从1.298nm到1.398nm,开启电压增大。外部电压导致界面处的电荷积累会阻碍电子的隧穿。理论计算的电流、电导曲线和实验曲线符合较好。     

微管道内溶液的等效电阻与外加电压相关性

搭建测量微米级管道内溶液电阻的实验平台,研究了直径在50～300 μm玻璃管道内溶液的等效电阻,建立了在直流小电压作用下,微管内溶液的等效电阻与外加电压的相互关系,并对实验中的误差因素进行了分析.结果表明:在一定的电压范围内,微管内溶液的等效电阻与施加在两端的电压成非线性关系.在电压比较小的初始阶段,随着电压值的增大,微管的等效电阻值迅速减少;当电压增大到临界值(4～6 V)时,等效电阻的变化量减小,最后趋于一定的阻值,该阻值近似为对应本体溶液的电阻值.研究结果表明在电压较小的初始阶段,电解及电极极化作用主导微管等效电阻,随着电压的增大,由于离子电流的增加,这种影响会迅速减少.     

分子器件电路中的混沌效应

大多数分子器件存在负微分电阻效应,其伏安特性曲线具有明显的非线性.该文基于数值计算方法考查了Si4分子器件构成电路中的动力学行为,通过计算Si4分子器件构成电路方程的李雅谱诺夫指数,可以在合适的参数区间内观察到混沌动力学行为.     

STM分子结中电流非对称性的定性分析

分子器件的量子输运特性实验(上大部分)是通过扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopy,STM)来完成测量的,其测量结果经常会出现非对称的电流-电压(asymmetric I-V,AIV)曲线、负微分电导(negative differential conductance,NDC)等区别于宏观器件的一些输运特性.基于有限元方法和参数建模,给出了一个有局域态存在情况下的输运体系的哈密顿量.同时结合非平衡格林函数方法,对输运体系的电子密度展开自洽场的计算,并在自洽收敛之后分析器件的隧穿电流.用模型参数描绘了分子结的配置,包括分子结的电极耦合强度、分子能级、局域态的能级等因素的作用,定性分析了器件中局域态及其几何结构的非对称性对纳米器件输运性质的影响.结果显示,采用STM的分子结实验中出现AIV和NDC,其本质原因是体系本征的局域态的偏置.     

压力对分子结电输运性质的影响

在密度泛函理论基础上,优化不同金电极距离下以羧基为末端基团的硫醇分子的几何结构,得到了体系能量与金电极距离的变化关系。根据外力与能量的关系式,计算了不同金电极距离下对应的压力值。利用弹性散射格林函数方法计算了不同压力下分子结的伏安曲线。研究结果表明,当两个金电极距离被拉伸为2.08 nm时,羧基断开了与金电极的物理接触。随着外加压力的增加,分子结的电导值快速地增加。     

Se与Te替位掺杂对WS2-MoS2纳米器件电子输运性质的影响

基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理计算方法,研究了Se与Te原子替位掺杂对WS₂-MoS₂纳米器件电子输运性质的影响.结果表明,WS₂-MoS₂纳米器件为间接带隙半导体,器件电流在[+0.7 V,+1.0 V]与[-1.0 V,-0.9 V]偏压范围内随着偏压的增大逐渐减小,呈现显著的负微分电阻效应;Se与Te原子对WS₂-MoS₂纳米器件进行替位掺杂后均呈现有趣的负微分电阻效应,器件两端电流的隧穿也显著改善;Se原子对WS₂-MoS₂纳米器件中S原子进行替位掺杂时,器件转化为p型半导体;Te原子对WS₂-MoS₂纳米器件中S原子进行替位掺杂时,器件转化为p型半导体甚至金属,且导电性能大幅提升.     

分子间距及洞位占据对碳双原子链电子输运性质的影响

模拟了两条平行碳原子链通过硫原子连接在一对半无限大的金电极(111)面之间组成的双分子器件的电子输运特性。计算结果表明,当原子链间距比较小时,原子链之间的距离是决定双分子器件电子输运性质的关键因素。随着原子链的间距增大到一定数值时,硫原子在金电极上的洞位占据类型在整个双分子结系统的电子输运过程中起决定作用。     

苝酰二亚胺衍生物的电子输运性质的第一性原理研究

利用密度泛函理论与非平衡格林函数的第一性原理方法,从理论上研究苝酰二亚胺衍生物PTCDI-[CH2]n(n=0,2,4,6)分子体系的电子输运性质.结果表明:所有的分子结体系结构中都出现了负微分电阻现象,体系的电子输运性质取决于体系中分子的长度.随着CH2数目的增加,分子的长度相应增加,体系的电导呈指数减少;当n≥2时,分子结呈现整流特性;当n=6时,分子结在±2.1 V时整流比高达72.6;这种整流现象归因于分子的非对称结构.     

分子结中对苯二甲氰分子与电极相互作用的研究

以对苯二甲氰分子（C6H4（CN）2）为研究对象，利用从头计算方法和弹性散射格林函数理论，研究了两电极的距离对分子与金电极之间耦合的影响．计算结果表明，当电极之间的距离变化时，分子与电极的耦合常数有明显的变化．本文进一步讨论了该常数正负的意义．在四面体型体系和直线型体系中，两电极距离分别为1．318nm和1．378nm时，对苯二甲氰分子与两金原子团簇形成稳定的结合．     

直流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为明确直流电场对燃烧的作用机理,在常温、初始压力100kPa下,向定容燃烧弹内的网状电极加载3种电场,分别为两侧同为负直流电场、同为正直流电场以及左侧为负直流电场右侧为正直流电场,研究3种电场加载方式下的直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明:在3种电场加载方式下,火焰形变、平均火焰传播速度、压力峰值随着电压的增大均增大;当电压幅值相同时,两侧同为负电场对火焰促进效果最强,其次为左侧为负电场右侧为正电场,两侧同为正电场对火焰促进效果最弱。由模拟计算可知:电体积力随着电压的增大而增大,两电极同为负电场与正电场时,平均火焰传播速度增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.996、0.997,压力峰值增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.989、0.971,说明电体积力与电场对火焰的促进作用密切相关;当电压幅值为10kV时,两电极同为负电场与正电场的离子风发展程度分别为0.153、0.019,说明正是由于离子风发展程度的不同导致了正负电场对燃烧促进作用不同。     

金电极羧基化表面的构建及电化学表征

在金电极表面制备了对羧基苯硫酚（4-MBA）自组装单分子膜,构建了1种羧基功能化表面,利用循环伏安法和交流阻抗法对4-MBA自组装单分子膜电极（4-MBA/Au）进行了电化学表征,采用Randles等效电路对阻抗复平面图进行模拟,确定该电极体系的等效电路以及电化学参数,通过电荷传递电阻Rct求出电极的表面覆盖度为97.5%.结果表明,pH对4-MBA/Au的电化学特性有较大影响,随着pH的增大,循环伏安图中的阳极峰电流、阴极峰电流逐渐减小,电阻逐渐增大;交流阻抗法表征也得到了同样的结论,阻抗复平面图上半圆的直径随pH的增大而增大,即电荷传递电阻Rct逐渐增大.因此,通过改变pH,可控制表面羧基基团的结构状态.     

利用不同沉积温度和衬底控制压电/压磁异质结的磁电耦合系数

以生长在不同电极衬底:MgO,c-sapphire,a-sapphire,Si上的钙钛矿PbTiO3(PTO)/Terfenol-D压电/压磁异质结为例,利用唯象热力学理论研究了热应力对压电/压磁异质结磁电耦合效应的影响.计算结果表明,铁电薄膜内的热应力强烈依赖于薄膜沉积温度与衬底、薄膜之间热膨胀系数的差异,而热应力又显著影响磁电耦合性能.对于热膨胀系数大于薄膜材料的衬底,如MgO,铁电薄膜内的热应力为压应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数增强;对于热膨胀系数小于薄膜材料衬底,如c-sapphire,a-sapphire,Si,铁电薄膜内热应力为拉应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数减小.研究提出了通过改变沉积温度以及选择合适衬底来调控压电/压磁异质结磁电耦合效应的新思路,为工程上增强压电/压磁异质结磁电耦合性能提供了新的途径.     

与铁磁体耦合的分子结中电流生热性质研究

研究与两个铁磁导体耦合的分子结中电流的生热性质.发现当分子结的能级为零时,电流和热流在不同电压下随着两个铁磁体磁化强度的增加而单调变小.当两个铁磁体的磁化方向相互反平行时,电子的入射和透射隧穿速率随磁化强度的增大而变得相差更大,从而使得电流和热流被抑制的趋势更为明显.当电压取固定值时,电流和热流在不同的分子结能级条件下随着铁磁体磁化强度的增大而变小.同样地,当两个铁磁体的磁化方向为反平行时,电流和热流被抑制的趋势更为明显.