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研究分子和团簇的性质,尤其是电子输运特征,密度泛函理论(DFT)特别成功适用于这一领域,成为多电子的两极系统的电子特性的理论研究的十分有效和精确的理论,以它为理论依据的方法和软件,非常普遍的应用在理论研究和实验研究中,它涉及的领域包括物理领域和化学领域等。20世纪90年代开始,密度泛函理论在交换关联能的加入后,密度泛函理论(DFT)的计算结果更加符合于实验结果,目前多种领域中较成功的电子结构计算方法都基于密度泛函理论。因为密度泛函理论计算量适中、计算精度较高,随着计算机性能的突飞猛进,目前已开发出ATK(ATOMISTIXTOOLKIT)等多种密度泛函理论(DFT)计算软件。团簇,因为它的尺寸介于原子和宏观体系之间,属于介观物理的研究范畴。特别是两极系统,由于其电子输运性质具有宏观物理和经典理论相区别的多样性和奇异性,所以目前已经逐渐发展成为许多科学家研究的重点和热点领域。
五种含有苯环的巯基分子被选来作为本论文研究的对象,按苯环数目增加的顺序分为两组,在Z方向分子中两个对称的H原子被S原子替换形成。我们用ATK(ATOMISTIXTOOLKIT)和VNL(VIRTUALNANOLAB)软件进行模拟各分子。然后,将它们分别置于一对Au(111)电极之间,构成两电极系统,利用分子电子学,对这些系统的输运性质进行分析研究时,我们采用用第一性原理计算方法,即用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的方法。我们主要做了以下几方面的工作:
在考察各分子的S原子空位连接时到Au电极(111)面的位置不同距离时,计算体系能量,发现在Au电极(111)面的空位处连接能量最低,结构最稳定。
我们对含苯环的巯基乙炔分子和含苯环的巯基苯醚分子与金电极组成两电极系统进行重点研究,根据第一性原理计算得到体系透射系数,对两电极系统透射系数的数据做出的图可以看到不同数目的透射峰,据此我们发现两组两电极系统存在不同程度的谐振隧穿现象,这一特点正是分子电子器件研究的要点。
选取了含有苯环的两组五种巯基分子作为分子桥,利用第一性原理计算方法和非平衡格林函数理论,研究了含不同苯环数目的巯基分子的电子输运性质。计算结果表明:随着外加偏压的增加,电导出现台阶状变化,即呈量子化特性；随着巯基分子所含苯环数的增加,电导变化规律相似,但其值随苯环数增加而减小,并且能量较低的电子与能量较高的电子相比更难通过含有苯环的巯基分子桥。