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本文从Landauer物理图像出发,采用密度泛函理论与非平衡格林函数理论相结合的方法研究了对苯二胺、二噻吩稠合杂环化合物以及苯分子和Au(Pt)电极构成的分子电子器件的电子输运特性。
常用的局域密度近似泛函和广义梯度近似泛函中都包含自相互作用。因此,以Au-对苯二胺-Au和Pt-对苯二胺-Pt分子结为例,我们首先研究了自相互作用修正对分子结电子输运特性的影响。计算结果表明,自相互作用修正对Au-对苯二胺-Au分子结的电子输运特性修正效果明显,而对Pt-对苯二胺-Pt分子结的修正效果不明显。主要原因在于对苯二胺分子和Au电极之间的耦合作用较弱,而与Pt电极耦合作用很强。另外,Au电极表面突出Au原子的态密度较为局域因此自相互作用明显,而Pt电极表面突出Pt原子的态密度主要是由扩展的d轨道所贡献因而自相互作用不明显。
其次,我们研究了2,3,6,7-四氢化苯并[1,2-b:4,5-b]二噻吩(2,3,6,7-tetrahydrobenzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene,THBDT)和苯并[1,2-b:4,5-b]二噻吩(benzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene,BDT)分子分别连接到Au电极和Pt电极后形成的分子结的原子结构和零偏压电导。我们的计算结果表明,Au-THBDT-Au分子结在Fermi能级处的透射系数为3.1×10-2,接近实验测量值1.2×10-2。将Au电极替换为Pt电极后,尽管提高了分子结的稳定性但是无法增加其Fermi能级处的电导。同THBDT分子相比,BDT具有更强的共轭性。因此,将BDT分子连接到Pt电极之间形成的Pt-BDT-Pt分子结的电子输运特性和器件稳定性均得到了较大改善。
最后,我们研究了苯分子通过Au-C键和Pt-C键直接连接到Au电极和Pt电极形成的分子结的电子输运特性。我们的计算结果表明,苯分子可以连接到Au(111)表面的Adatom、Atop和Bridge三个吸附位。在所形成的三个对称Au-苯-Au分子结中,Bridge位分子结在费米能级处的透射几率最大但也只有0.37。与之相比,苯分子仅可以吸附到Pt(111)表面的Adatom和Atop位,而且Adatom位Pt-苯-Pt分子结费米能级处的透射几率达到1.15,形成了一个“完美”的分子电导。这主要是因为苯分子的最高占据分子轨道(HOMO)通过突出Pt原子的5dxz原子轨道和Pt电极相互作用形成了一个良好的导电本征通道。通过突出Pt原子形成的Pt-苯-Pt分子结的高电导特性不依赖于所用的密度泛函近似形式,表明此Pt-C键在构建未来的分子电子器件大有前途。