探究分子结构对单分子结电导的影响

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为了开发下一代电子产品及高效的信息设备,了解电荷和热量在纳米尺寸上是如何传输显得尤为重要。单分子结是探测量子传输极限的理想系统。随着科学技术的发展,电子元件的微型化受到光刻技术和量子力学定律的影响,硅基电子器件的集成度提高越来越困难。人们对集成度的需求推动了分子电子器件的发展,研究分子电子器件的基础是对单分子结电导进行测量,从而理解其中的电子输运机制,以帮助我们认识单分子结工作的原理。构建单分子结是研究分子电子输运机制的基础,单分子结电导的测量受到环境、金属电极及分子自身因素等的影响。基于以上因素,本论文主要研究了分子结构对单分子结电导的影响。采用扫描隧道显微镜裂结法(STM-BJ)对二碘代烷基链分子、共轭性分子、南瓜体系分子和硒吩五元环分子进行了测量。主要工作如下:1.对烷基链分子I-(CH2)n-I[n=6,8-12]进行电导测量。在固定偏压为100 m V,分别对C8-C12进行电导测量,结合课题组前人测量的C4-C6电导进行对比分析。在测量电导时发现,C8有两套电导值,而其他分子主要表现出一套电导值。对电导值(G)和亚甲基(-CH2)个数进行作图发现,C4-C6及C8低值的衰减常数为0.5/-CH2,而C8高值和C9-C12的衰减常数为0.25/-CH2。基于以上研究结果,我们主要对C6和C8分子进行了改变偏压的实验,先采用低偏压对分子结进行电导测量,接着将偏压逐渐增大,我们发现在低偏压下主要呈现低电导值,在高偏压下出现高电导值,而在中等偏压时能够出现两套电导值。根据以上研究,我们初步认为这种变化是在测量过程中,分子与电极之间的成键方式发生了改变,在高偏压下形成了Au-C键。2.对1,4-二碘苯、4,4’-二碘联苯和4,4’’-二碘对三联苯进行了研究,观察得到的电导值发现了一个有趣的现象,4,4’-二碘联苯出现两套电导值,且其高值与1,4-二碘苯的基本一致,说明对苯二碘在形成分子结的过程中形成了4,4’-联苯二碘。4,4’-二碘联苯的低值小于4,4’’-二碘对三联苯的电导值,同时,我们对4,4’-二碘联苯的两套电导值和4,4’’-二碘对三联苯的电导值进行苯环个数和G作图,发现其呈线性关系,随长度的增加,电导值减小,且衰减常数为0.98/苯环。3.测量了甘脲单体及南瓜分子([CB]n(n=5,6,7,8))的电导。对于环状的南瓜分子,其环的上下都有若干个羰基,多个羰基处于同一平面内,由于羰基存在离域的π电子,因此多个羰基经过离域π电子的组合,形成大π键,从而能够增强分子与金电极之间的作用力。随着环的增大,分子的电导值逐渐减小,这可能是金电极与分子间的作用力减弱所致。同时我们还对单体甘脲进行了电导测量,羰基很难和金电极结合,因此无法测得其电导值。通过对CB分子进行研究,我们可以发现多个羰基共同作用后能够增强其与金电极的耦合力,从而让我们能够用一种新的思维来认识羰基锚定基团。同时对南瓜系列中的CB5、CB6、CB7进行了理论计算,理论计算结果与实验结果一致,这说明羰基能够以新的方式和金电极发生耦合形成分子结。4.研究了以硫甲基为锚定基团的硒吩系列分子,通过对该系列分子的电导测量发现,随着环个数的增加,其电导值逐渐减小,满足超交换机理。但是在测量电导的过程中发现了一个有趣的现象,六个环的分子电导值比四个环和五个环的分子电导值都大。我们认为含六个硒吩环的分子电导值出现异常,是因为其电子输运是跳跃机理,而短的分子为超交换机理,导致了电导值不是单调变化。
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