溶液酸碱性对低聚苯亚乙炔基分子结电输运性质的影响VIP免费

物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014)068502溶液酸碱性对低聚苯亚乙炔基分子结电输运性质的影响冰林晓那张广平任俊峰十原晓波胡贵超(山东师范大学物理与电子科学学院，济南250014)(2013年11月6曰收到；2013年11月16日收到修改稿)结合密度泛函理论和非平衡格林函数方法计算了溶液酸碱性对低聚苯亚乙炔基分子结电输运性质的影响，此低聚苯亚乙炔基分子中两个不同位置的H原子被氨基和羧基取代．通过质子化和去质子化模拟酸性溶液和碱性溶液对分子结构的影响．计算结果表明：中性环境下分子器件具有良好的导电性和微弱的整流效应；碱性溶液中羧基去质子化后，分子器件电流值增长近一倍，但整流效应变化不明显；酸性溶液中氨基质子化后分子器件正向偏压导电性能略微降低，但整流方向发生明显反转，且与中性环境下的情况相比，整流比提高了近三倍．提出了一种利用化学手段控制分子结导电能力和整流性能的方法．关键词：分子电子器件，电输运特性，整流PACS：85．65．+h，73．63．一b，73．40．EiDOh10．7498／aps．63．0685021引言目前，随着电子器件尺寸不断微型化，传统电子器件的制备手段及设计理论都受到严峻挑战．分子电子学的诞生为电子器件小型化提供了一种可能的解决方案．分子电子学旨在分子尺度上利用单个分子、超分子或分子簇设计电子功能器件，研究其电荷输运特性及可能的操控方法，进而考虑以其代替硅基半导体、晶体管等固体电子学器件来组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机【，引．近年来，分子导线[0，]、分子负微分电阻[5】、分子整流器【6_121、分子开关[13-151、分子传感器[16_1等分子器件的设计及微观机制研究引起了广泛关注．除此之外，如何利用当前技术操控分子器件电输运特性亦是人们关注的一个重要课题．压力、温度、电场、光场以及溶液酸碱度等因素均会对分子器件结构及电输运性质产生影响[1,2,18】．其中，通过改变溶液pH值操控分子器件的电荷输运性质己成为行之有效的化学手段之一．例如，Zhang等[19]在实验上合成了一种大分子6一羧甲基化壳聚糖发现可以通过调控溶液的pH值进而调控分子中氨基和羧基的质子化和去质子化以及它们之间的质子转移，从而可以控制分子的电荷输运性质．Morales等从实验上发现双苯环一双嘧啶分子处于HC104溶液中时，分子的整流方向会发生反转，Zhang等【]利用第一性原理和非平衡格林函数方法从理论上对这一实验现象做出了解释，认为酸性环境下分子中N原子的质子化是整流方向发生反转的原因．Chen等[2l】从实验上发现，通过对氨基和羧基作为末端基团的丁烷分子进行质子化或去质子化可明显改变分子结的导电能力，Song等_22J从理论上对这一实验现象进行了数值模拟，发现丁烷分子末端的氨基的质子化f羧基的去质子化)减弱(增强)了分子和电极的耦合，从而使分子结的电导降低(提高)．特别是Wu等[23]利用力学可控劈裂法对含有三个苯环的低聚苯亚乙炔基fOPE1分子的电输运性质进行了系统的测量，发现该分子可以通过末端的巯基与两个金电极国家自然科学基金(批准号：10904083，10904084)和山东省高等学校科技计划(批准号：J13LA05)资助的课题t通讯作者．E—mail：ref@sdnu．edu．an@2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety068502．1￡tp：／／wulixb．iphy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014)068502形成稳定的共价键，构成化学接触，从而形成稳定的单分子器件．氨基和羧基是一对特别的基团，在酸性环境下氨基容易被质子化，而在碱性环境下羧基容易去质子化．到目前为止，虽然人们对带有氨基和羧基的分子的电荷输运性质已经开展了部分研究，但是pH值调控含有氨基和羧基基团的分子结的电荷输运性质的机理还需要进～步探索．结合密度泛函理论和非平衡格林函数方法，本文研究了OPE分子结的电输运特性，此OPE分子结中两个不同位置的H原子被氨基和羧基取代，并讨论了酸性溶液和碱性溶液环境对其导电性能和整流特性的影响．2理论方法及计算细节本文计算中涉及的分子器件如图1所示，分子器件分为半无限大的左电极、半无限大的右电极以及中间的扩展分子(或散射区)三部分．扩展分子由部分电极层和中间的OPE分子构成．电极层的...