基于非对称有机分子的整流器件的第一性原理研究

Rectification is one of the most important functions and it has become a serious problem to realize rectification by single molecules now. Organic molecules with asymmetrical structure are one of the possible candidates that can realize rectification and thus has attracted extensive research interests for a long time. However, these studies generally only focus on the finding of a specific molecule that show rectification and the related mechanism, but not on the design of rectifiers with certain organic molecules intentionally. In this project, we will study rectification mechanism of a single molecule and structural theory of rectifier. 1) we will choose from the versatile organic molecules and investigate which class of molecules, which radicals, how to organize these radicals and how to tune these radicals will lead to molecular rectifiers based on first principles. And meanwhile we try to make rectification ratio as high as possible and the rectification region as wide as possible by tuning the structure and constructure of the molecule. 2)We hope to get the general rules for observing rectification with certain organic molecules or the combination of certain radicals by analyzing the geometry space structure, the chemical composition and the electronic structure. Thus, we will be able to design single molecular rectifiers intentionally, but are not limited to the search of a specific rectifying organic molecule. We believe that our study will provide a good guide for the related experiments.

整流效应是电子器件的最重要功能之一，利用单分子器件实现整流效应是分子电子学的一个重要课题。以结构非对称的有机分子为基础构造单分子整流器件，很早就被人们关注；然而以往的研究仅仅停留在寻找某个特定分子来实现整流现象，还没有有目的地进行整流器件的设计。 本项目将采用第一性原理方法，研究单分子器件整流机理及器件的构建原理：1）从种类丰富的有机分子中探明何种结构的有机分子基团，加载在何种结构的有机分子母体上，组装成的分子可以获得整流效应，以及如何对这些分子的组成和结构进行调控以获得尽可能高的整流比和尽可能宽的整流区域；2）通过对分子的几何结构、化学组成和电子结构的深入分析，归纳出由有机分子获得整流效应的一般规律，进而改变以往仅从单个例子中发现整流并解释其中的机理的情况，实现有目的地利用特定基团组装和设计理想的单分子整流器件。本项目的开展将为非对称有机分子用于单分子整流器件的实验研究提供理论指导。

电子器件的功能有二极管，场效应管（三极管），自旋过滤效应等等。整流效应是电子器件的最重要功能之一，利用单分子器件实现整流效应是分子电子学的一个重要课题。以结构非对称的有机分子为基础构造单分子整流器件，很早就被人们关注；然而以往的研究仅仅停留在寻找某个特定分子来实现整流现象，还没有有目的地进行整流器件的设计。 本项目采用第一性原理方法，研究了单分子器件整流机理及器件的构建原理。我们利用种类丰富的有机分子设计出了具有整流效应的分子器件，并对这些分子的组成和结构进行调控获得了高的整流比和尽可能宽的整流区域。同时通过对分子的几何结构、化学组成和电子结构的深入分析，归纳出了由有机分子获得整流效应的一般规律。分子本身的不对称性，分子两端的PN掺杂，由包含供体与受体分子组成的器件都可以诱导电流的不对称性，后面两种情况也可以归于第一种。在研究的过程中，我也得到了其他很多其它有趣的输运性质，如自旋过滤效应，磁致电阻效应，甚至集多种功能于一体的分子输运特性。我们还考虑了分子线的电导与分子线长度的关系，以及分子器件的集成化问题。发现电子电路进入到了介观尺度后，特别是到了分子尺度后（由于量子相干作用），分子的电导与分子长度之间的关系和宏观电路中的情况有所不同（在宏观的电子电路中，导线的电导随着导线长度的增加而成线性减少）；通过选择了分子本身宽度很窄的碳原子链作为材料和调控分子链之间的距离，在分子尺度器件中实现了基尔霍夫效应。本项目的开展将为有机分子器件的实验研究提供理论指导。