一维环多烯-过渡金属三明治分子线的电子结构和磁性分析-electronic structure and magnetic analysis of one-dimensional cyclopolyene - transition metal sandwich molecular wire.docxVIP

1绪论1.1分子自旋电子学简介众所周知，根据摩尔定律（moorelaw）[1]，基于硅基的传统半导体晶体管的集成度大约以每18个月增长一倍的速度，飞速逼近物理和制造工艺的极限，导致其发展与应用面临着难以逾越的障碍。如何能够突破这个障碍呢？传统硅基半导体晶体管的设计与制造都是自上而下的模式，能不能从自下而上地设计呢？从单个分子甚至原子开始进行器件设计，从而突破量子效应的障碍，提高电路集成度与计算机运行速度呢？早在上世纪50年代，物理学家RichardFeynman就在著名的演讲“Thereisplentyofroomatthebotton”里面提出来了这一思想，这一概念后来慢慢发展成了分子电子学这门有着远大前景的，横跨材料科学、物理、化学等交叉学科。在2001年12月21日在《science》杂志将分子电子学所取得的一系列成果评为2001年十大科技进步之首[2]。标志现代分子电子学诞生的研究是1974年Aviram和Ratner[3]提出的具有分子二极管（分子整流器）性质的施主-隔离体-受主(donor-spacer-accepter)结构。随着理论与实验技术的逐渐成熟，分子电子学的发展十分迅速。1988年，A.Aviram更进一步从理论上详细介绍了怎么用分子做场效应管。1996年，Bumm等人[4]利用STM技术第一次测量了分子电导，1997年，Reed等人[5]直接测量到了单分子导线的电导。随后C.Kergueris、S.J.Tans、C.P.Collie、A.R.Pease、M.A.Reed、S.Moller等人所在的课题组关于分子尺度的分子二极管、分子导线、分子开关、分子存储器[6~12]等等的相关研究情况也都被相继报道出来。2001年又有了重大突破,科学家们能够将单个分子器件相互连接起来，构成了具有逻辑功能和运算功能的“分子电路[13-14]”，朝着分子电子学的实现迈出了关键的一步。分子电子学研究内容是各种具有特定功能的分子器件的设计与制作，再利用这些具有特定功能的器件组装成具有一定功能的逻辑电路，其主要的研究内容包括分子导线、分子开关、分子整流器、分子场效应管和分子计算机等各种功能器件。分子导线是起着信息传输作用的分子线，可以保证电子、自旋、光子等信息由一端传导到另外一端。目前，那些具有共轭π键的有机分子，如苯等芳香烃类分子，由于π电子离域程度很高，因此具有很强大的传输能力而受到了广泛的关注。1994年，Anderson的小组[15]合成了以卟啉为单元的链状共轭结构的分子导线。2000年，Tour的小组创造性的提出了一种可控的合成分子线的方法（图1.1、图1.2），大量合成了具有相同结构和长度的苯环类分子导线，并对其导电特性进行了详尽的研究[16]。图1.1分子导线的合成方法示意图[16]图1.2合成的分子导线[16]分子开关是一种具有两种及以上的稳定状态分子体系，且这几种状态的电阻值相差会很大。当通过施加一定的外界影响，如压力、温度、光照、电场、磁场等时，分子的几何或化学性质会发生变化，分子的电阻值（即状态）也随着相互转换。分子体系的电阻值的高低分别对应分子电路的“关”和“开”状态[17,18]。2001年，Schiffrin小组[19]研究出一种特别的分子开关，即当Bipy分子处于正2价态时，分子的电阻值较大，没有电流通过三明治分子结构，分子开关处于“关”状态；对2价的Bipy分子通过STM针尖外加一适当的电压时，Bipy分子还原为1价状态，分子的电阻值很小，此时有较大电流通过三明治结构，分子开关处于“开”状态。关于分子整流器(二极管)最早的设想是1974年由Aviram和Ratner提出[3]。他们预言到了类似于p-n节的分子二极管功能器件有存在的可能性，把由有机电子给体-绝缘层-受体桥连而成的分子放在两个金属电极之间时，其电流-电压曲线与常规的硅基电子整流器类似。1993年，Ashwell等人[20]利用LB膜技术用有机材料做成只有几个分子厚的薄膜，发现这个薄膜只允许电流单方向流动，从实验上证明了这种整流器的本质来源于分子作用。2006年，王兵等人[21]利用STM在单分子尺度上研究了C60NPy(Py=C5H5N)分子结的电子输运行为，其结果如图1.3，从其I-V曲线可以看到很明显的整流效应。图1.3在5K时，C60NPy在2V的门电压下的I-V曲线图[21]图1.4室温时，不同门电压情况的通过探针两端I-V曲线图[23]场效应管(FET)是计算机中最关键的器件，既具备开关的功能，又具备增益的功能。它是通过外加电压改变导电沟道的宽窄以控制载流子运动的一种有源器件。在2000年，Devoret和Schoelkopf[22]曾指出，在分子场效应管里面，输出的是与纠缠态有关的量子信号，传统计算机中表示二进制0和1