随着微电子学的快速发展和电子器件的不断小型化，利用单分子以及分子团簇，例如有机小分子，单壁或者双壁碳纳米管以及一些生物分子等来构建各种功能性电子元器件已经成为研究者公认的并且最有可能的发展趋势。同时研究和测量这些分子尺度元器件的电子特性或者光学特性也逐渐发展成一门独立的学科，这就是分子电子学。近年来，精密加工技术和自组装技术的进步使得设计分子量级的电子器件成为可能。目前，人们将注意力集中到原子和分子系统。随着实验技术的出现和应用，例如，自组装单层膜(SAMs)，化学合成，扫描隧道显微镜(STM)，力学可控劈裂结(MCBJ)，Langmuir-Blodgett(LB)膜，有机分子束外延生长(OMBE)，纳米孔，电迁移，局部氧化切割碳纳米管法，线上刻蚀(OWL)，电极沉积，掩模蒸镀法等，人们设计并且测量出了具有不同功能的分子器件。随着对材料进行原子量级的操纵和修改技术的发展，纳米结构的电输运特性引起了人们广泛的兴趣。　　 分子结的选取以及准确的控制分子与电极之间的耦合是设计和制造单分子器件首先必须考虑的一个方面。富勒烯分子是构建小型化分子器件的重要组成部分，并且发挥着非常重要的应用价值。由富勒烯构成的分子器件表现出不同于其他宏观系统的独特的物理，化学性质以及结构上的稳定性。因此，在众多分子当中，与其他的有机分子相比，富勒烯分子是构建分子器件的最佳候选材料之一。自从第一次报到了C60富勒烯分子结构以来，人们对富勒烯分子纳米结构的电子结构和电输运特性进行了广泛的研究，发现了基于富勒烯分子器件的很多有意义的物理现象，例如，负微分电阻现象(NDR)，整流行为，分子开关，单分子电动放大器以及超导特性等。　　 基于富勒烯分子器件的电输运特性依赖于左右两电极之间富勒烯分子数目与分子构型，各富勒烯分子之间的相对距离与相对指向。并且，在很多情况下，分子与电极之间的界面构型也会对分子器件的电输运行为产生很大的影响。这些因素包括，分子与电极的相对指向，分子与电极之间的界面间距，电极大小与所选电极材料的不同等。此外，许多外部环境也是影响分子器件电输运行为的重要因素。例如，温度，湿度，门电压等。因此，考虑影响富勒烯分子器件电输运性质的因素，如何调控分子器件的电输运行为并且设计出功能性分子器件是本论文研究的重要课题。　　 在本论文的研究中，利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法，我们研究了基于富勒烯分子器件中电荷输运特性，重点探讨左右电极之间的界面间距，分子与电极之间的界面构型，门电压的作用范围以及门电压值的正负对富勒烯分子器件电输运性质的影响。本论文具体的研究内容和主要结果如下:　　 1.不同的界面间距下C60分子器件的电输运性质　　 C60分子自诞生之日起就一直引起人们的重视。在实验中，采用扫描隧穿显微镜探针，发现通过C60分子的隧穿电流随探针位移的减小呈指数增加的形式。针对此实验结果，通过采用非平衡格林函数以及密度泛函理论，我们研究了由金属电极Ag-C60分子-金属电极Ag三明治结构构成的分子器件的电输运行为。研究结果发现，分子器件的电输运性质受电极之间界面间距的影响非常大。在某一确定偏压下，器件的遂穿电流值随着界面间距的减小呈现指数增加的变化趋势。分子器件表现出负微分电阻的行为，其峰-谷比大小可以通过界面间距的不同来改变。在本研究工作中，我们着重就界面间距对金属电极-C60分子-金属电极分子器件电输运性质的影响以及负微分电阻现象的物理机制进行了系统地探讨。　　 2.界面接触构型对(C20)2分子器件电荷输运性质的影响　　 采用第一性原理计算，我们研究了Au-(C20)2-Au分子器件在两种不同的界面接触构型下（点接触和键接触）的电荷输运性质。我们发现当分子与电极之间采取键接触时，分子器件的透射率远高于点接触时的透射率，从而可以实现分子开关的功能。并且，两种构型下的电流-电压特性完全不同。对于键接触的界面构型，低偏压下呈现金属特性，随着偏压的升高表现出类似压敏电阻的行为。而对于点接触的界面构型，电流增加非常缓慢，表现出非线性行为，电流值比键接触构型下的电流值小一个数量级左右。我们把这些输运特性的明显差异归功于分子与电极之间界面构型的不同所致。　　 3.不同位置施加门电压对Au-(C20)2-Au分子器件整流特性的影响　　 我们采用密度泛函理论以及非平衡格林函数的方法研究了有门电压作用下Au-(C20)2-Au分子器件的电输运性质。我们的研究结果发现:外部横向门电压的不同施加位置能够有效地调节分子器件的电流-电压(I-V)特性。当门电压非对称的施加在左边C20分子上时能够实现器件的整流行为，并且整流方向可以通过门电压的正负值来进行调节。这些研究结果为实验的进行和分子整流器件的设计提供了非常重要的理论支持。　　 4.非对称门电压下BDC20分子器件的整流性质　　 由1，4-bis(fullero[c]pyrrolidin-1-y(l)) benzene BDC20与金属电极构成的单分子器件，通过对其施加非对称的门电压，采用密度泛函与非平衡格林函数理论体系对其电输运性质进行理论研究。我们发现了非常有意义的研究结果，当门电压非对称的施加在BDC20分子器件上时，器件表现出非常明显的整流特性，其整流比高达91.7和24.0。整流方向可以通过门电压的施加范围来调节。分子器件的整流行为可以从透射率以及投影态密度随偏压的变化，以及分子投影自洽哈密顿态的分析得到。我们的研究结果表明，为了实现和较大幅度的提高BDC20分子器件的整流特性，不同的门电压作用位置是一种非常有效的方法。