分子器件电输运过程中的局域热及制冷机制研究

The design of electronic devices based on molecular materials needs the understanding of the transport mechanism, which depend on the accurately describing of the conformation and electronic structure of the molecular devices. Inelastic Tunneling Spectroscopy (IETS) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) are the effective tools for probing the microstructure of the molecular devices, while they also bring the complexity of local heat introducing by inelastic scattering and photon adsorbing and the necessary of cooling. Aiming the key issues, the proposed project will investigate the correlation of the SERS and molecular conductance, the electromagnetism radiation mechanism in the molecular conducting process and the mechanism of the producing of local heat and cooling based on density functional theory and non- equilibrium Green's functional theory. These information will help us find the deeply mechanism of the strong correlation of molecular conductance and Ramon response. And it will help us get the distribution of local heat and cooling the harmful local heat in the transport process of molecular devices to avoid the fusing of molecular circuit. The project will play an important role for the start point for the design and assembling molecular devices.

对基于分子材料的电子器件的设计需要对分子器件的导电机制进行的深入研究，它需要精确地描述纳米分子的空间和电子结构。非弹性遂穿光谱与表面增强拉曼光谱是对分子器件的微观结构进行探测的有效工具，它们同时也给分子器件的电输运过程增加了由非弹性散射与电磁辐射形成的局域热以及对分子器件制冷的必要性。针对这个问题，我们将在密度泛函理论与非平衡态格林函数理论的框架内，围绕分子器件的表面增强拉曼光谱与分子电导之间相互关联，分子传导过程中的电磁辐射机制以及分子结输运过程中的局域热产生的机制及制冷方案展开理论研究工作。在研究中建立计算非弹性遂穿光谱与表面增强拉曼光谱的统一框架，寻找到电导与拉曼响应之间的强关联的深层机制，找到分子器件输运过程中的局域热分布并对有害的局域热实施制冷，避免分子电路的熔断。这对设计与制造稳定的分子器件是十分必要的。

分子器件可以看成是一个典型的纳米复合结构材料，即使是最简单的分子器件至少包含了分子体系、电极以及分子-电极之间的耦合界面三个需要考虑的研究对象。长期以来，科学家们认为分子-电极界面是决定分子器件性能的关键因素并为此付出了巨大的努力。当然，分子体系作为载流子的传输通道载体依然受到了广泛的关注。在本项目中，我们针对分子结体系中的分子体系的电子结构的调控与谱学表征这一关键问题展开了具体的研究工作。这一关键问题的解决主要集中在三个方面，一是分子体系本身电子结构的调控方式及其对电输运性质的影响，而界面接触后的电子结构产生了明显的改变，二者的协同作用如何影响器件的性能；二是分子器件本身在制备及测量上的影响因素众多，如何利用不同的谱学手段对分子器件的关键信息进行表征；三是分子器件的工作环境通常是在溶液以及其它界面环境导致的电场磁场环境中，巨大的分子量导致第一性原理精度的计算难以有效完成，如何采用适当的近似描述环境的电荷分布。..针对这三个关键点，我们分别基于不同的理论框架对分子体系、界面以及溶液环境进行了系统的理论研究。一是针对分子器件电输运特性对分子体系本身的依赖，利用对分子体系定向掺杂的方式实现了对其电输运性能的调制，并观察到了负微分电阻、整流效应及自旋过滤效应等物理现象；二是利用谱学探测手段，实现了分子器件中的非弹性隧穿及激子动力学的探测。利用非弹性隧穿谱探测发现其特征峰强与键角之间的三角函数关联；利用激子的瞬态吸收非线性光谱探测到了激子Seebeck效应，发现温度差引起激子布居的再分配并影响激子传递时间。三是构筑了纳米复合结构材料形成三元结构的超级电容器，利用不同组份之间的界面电子转移形成了电荷聚集并极大的提升电容器的充放电性能。四是考虑到分子器件通常的溶液工作环境，发展了新型的分子动力学粗粒化方法，描述溶液环境中的界面电荷分布，并计算了其介电函数等物理量。..同时，我们也考虑了掺杂效应本身对半导体材料的带隙的调制以及对其吸光能力的影响等问题并开展了相应的研究。