并行分子器件中的基尔霍夫叠加定律及量子相干性研究

To meet the trend of miniaturization in electronic devices, electronic devices with various functions have been designed based on single molecules, such as diodes, switchers, spin filters, field effect transistors and magnetoresistance which once exist in the traditional semiconductor devices. However, only a few works paid attention to the classical Kirchhoff's superposition law in molecular scale devices and found only the inability of this law to account for the electron flow in the multilinker systems. The reasons are:1)there exists contact resistance between the central molecules and the electrodes in the molecular scale devices, while there is no the contact resistance in traditional circuits; 2)there exists electron coupling between the juxtaposed molecules, which can lead to constructive or destructive quantum interferences, and then lead to the inability of the conductance or current superposition law. In the work, we try to realize fine Kirchhoff's superposition law phenomenon by reasonably selecting the central molecule and electrode materials, and by manipulating both the distance between the molecules in parallel continuously and the contact types between the central molecules and the electrode. The realization of the traditional Kirchhoff superposition law in the molecular scale devices will provide the possibility for the integration of the molecular scale devices , and then provide the conditions for the practical application of the molecular scale devices and save the industrial cost. This project will provide some rules and theoretical guidance for the study of Kirchhoff's superposition law in molecular devices.

为了实现电子器件的不断小型化，人们基于单分子设计出了具有各种功能的电子器件，如二极管效应、开关效应、场效应管效应、自旋过滤和磁致电阻效应等。然而，在分子器件中实现传统电路中的基尔霍夫叠加定律的研究工作却很少，仅有的几个相关研究均没能在分子尺度器件中实现基尔霍夫叠加定律。其原因有:1)分子尺度器件中分子与电极间有接触电阻，而传统的电路没有接触电阻; 2)并行分子间存在藕合作用，这种藕合作用会产生量子相干或退相干作用，阻碍电导、电流叠加定律的实现。本课题旨在通过合理地选择分子和电极材料，并调控并行分子之间的距离来减少甚至消除并行分子之间量子相干作用来实现分子器件中的基尔霍夫叠加定律。在分子尺度的器件中实现传统电路中的基尔霍夫叠加定律，将为分子尺度器件的集成提供可能，为分子尺度器件实际应用提供条件，节省工业成本，降低能耗。本项目将为分子器件中基尔霍夫叠加定律的研究提供一些规律和理论指导。

为了实现电子器件的不断小型化，人们基于单分子设计出了具有各种功能的电子器件，如 二极管效应、开关效应、场效应管效应、自旋过滤和磁致电阻效应等。然而，在分子器件中实 现传统电路中的基尔霍夫叠加定律的研究工作却很少，仅有的几个相关研究均没能在分子尺度器件中实现基尔霍夫叠加定律。其原因有一是分子尺度器件中分子与电极间有接触电阻，而传统的电路没有接触电阻;二是并行分子间存在藕合作用，这种藕合作用会产生量子相干或退相干作用，阻碍电导、电流叠加定律的实现。本课题旨在通过合理地选择分子和电极材料，并调控并行分子之间的距离来减少甚至消除并行分子之间量子相干作用来实现分子器件中的基尔霍夫叠加定律。1）我们采用单层锯齿状石墨烯纳米带和双层锯齿状石墨烯纳米带构建的双探针结作为我们的模型。当双层锯齿状石墨烯纳米带之间的距离超过5埃时，双层ZGNR结的总电流是单层ZGNR结的两倍，实现电流叠加效应。其次，我们还在由两个酞菁分子或一个碳原子线和一个酞菁分子构建的新的平行双探针器件中实现了电流叠加效应。2）研究了单个卟吩分子与石墨烯纳米带之间四种分子连接方式中的电子输运特性。结果发现，通过调控卟吩分子和石墨烯纳米带之间的共价耦合方式，费米能级附近的电子传输几率和低偏压下的电流可以增强，得到了一个完美的整流器。共价耦合分子器件的设计可以为调节电子传递态提供了一种有效的方法，这对未来集成电路的发展具有重要意义。在分子尺度的器件中实现传统电路中的基尔霍夫叠加定律，将为分子尺度器件的集成提供可能，为分子尺度器件实际应用提供条件，节省工业成本，降低能耗。本项目将为分子器件中基尔霍夫叠加定律的研究提供一些规律和理论指导。