DNA分子中的电荷传输、交流响应及迁移率特性研究

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分子电子学的出现,已经有40多年了。最近,随着实验技术的突破和理论方法的发展,科学家们真正获得了探索单分子结电导特性的机会。这使得分子电子装置将来有可能像硅材料一样,成为半导体领域主要器件的提供者。作为分子电子学的热门研究对象,DNA分子更是依据其良好的自组装能力,吸引了众多科研人员的目光。在这篇论文中,我们将研究DNA分子在电荷传输、交流响应和极化子迁移率等方面的特性。  在第一章的绪论中,我们对分子电子学的发展历程进行了简要介绍,其中包括了重要的实验和理论介绍。针对本文主要的研究方向,我们还概述了DNA相关工作的最近进展,并且讨论了DNA分子的两种主要计算模型:一维模型和双链模型,并分析了它们各自的优缺点。  在第二章中,我们首先推导了介观系统的含时、不含时电流以及传输系数的表达式。紧接着,我们选取利用Landauer公式,给出了DNA分子结的非平衡电流计算的相应公式。随后,我们对基于DNA序列(GC)NGC和(GC)1(TA)NTA(GC)3的伏安特性展开了详细的讨论。我们发现,通过门电压调节DNA最高占据分子轨道(HOMO)能级,DNA序列(GC)NGC的电导率在低偏置电压处就开始快速增大。而对于DNA序列(GC)1(TA)NTA(GC)3,实验中观测到的弱距离依赖电导表现也被我们所证实,我们对该实验现象提出一种新的解释,认为其导电机制并不是文献中提出的热辅助的电荷跳跃,而是TA碱基对中的离散量子阱态的隧穿效应。  在第三章中,我们研究了光照下的DNA分子结的交流响应特性。首先,我们推导了DNA交流电导的实部和虚部公式。计算发现,在某些特殊频率处,DNA序列左右端交流电导的实部出现了电导抑制现象。我们把它归结为交流势引起的DNA中电子到电极费米能表面的激发,或者是DNA深层能级中电子到传输窗口中部分占据能级的激发。然而,对应的电导虚部曲线却十分的光滑,没有表现出明显的特征。  基于DNA电荷传输的一维模型,我们在第四章中研究了电声耦合效应下的DNA分子中极化子迁移率。通过分析其温度依赖关系及不同长度和不同序列的迁移率,我们发现,尽管近似方法有所差异,但是我们的结果跟之前的三维晶体中的极化子迁移率定性吻合。  在第五章中,我们给出了全文的总结和对未来工作的展望。
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