随着现代信息数据量不断呈指数型增长,开发能够更加高效的处理信息的微电子器件和技术就成为了当今基础和应用科学研究的重点之一。作为一种特殊的电流-电压响应,负微分电阻效应,即电流随着电压增大而减小的现象,因为在许多的电子器件和电路当中具有重要的应用,从而得到了越来越多研究人员们的关注。自江崎二极管中所出现的负微分电阻效应被发现以来,发生在分子尺度上的负微分电阻效应及其成因一直都是基础科学研究的热点。通过扫描隧道显微镜技术,我们不仅能够从原子分辨的扫描隧道显微镜图像获得样品材料的表面原子结构信息,还能够通过单个原子/分子隧穿电流-电压行为直接观测到样品表面单个原子/分子出现的负微分电阻效应。对单分子尺度负微分电阻现象的研究能极大的促进对这一现象的基础理解,同时也是功能单分子器件的研究基础。虽然利用扫描隧道显微镜观测到分子体系里的负微分电阻效应的研究报导已经十分广泛,但多数工作涉及到了不同的针尖顶端的电子态以及比较复杂的分子层构建体系。因此,在一个简单的分子-扫描隧道显微镜针尖结里实现重复的负微分电阻效应以研究其更普适的机理从而构建更简单的模型器件就是本工作的研究目标。前期的研究工作表明在C60单分子层里,C60分子-分子之间以及C60分子与黑磷基底之间均为范德华相互作用力,这一环境使得单分子层内的C60分子的电子结构类似于单个C60分子,保持了其分立能级的特征,使得其在分子能级处的电子态非常尖锐,从而成为出现负微分电阻现象的基础。利用超高真空超低温扫描隧道显微镜,本研究工作在吸附于黑磷单晶表面的C60单分子层这一简单的体系中发现了重复的,不依赖于针尖底部电子态的负微分电阻效应。结合理论模拟,以金属针尖和C60单分子层为模拟对象,通过分析电子从针尖的连续能级隧穿至C60分子的分立能级以及电子从C60分子的分立能级隧穿至针尖的连续能级两种情况下的隧道结模型图,我们发现:只有当电子隧穿至一个分立能级时,才能在实验中观测到负微分电阻现象。这一模型计算的结果和实验的观测一致。为了进一步验证我们的结论,我们从隧穿电流公式出发,并结合密度泛函理论计算得到的黑磷和C60分子的电子态密度,模拟出了与实验结果相一致的负微分电阻效应,更进一步地证明了我们对负微分电阻效应成因的解释。更进一步,通过模拟C60分子的态密度分布由分立逐渐变得连续,与之对应的负微分电阻效应从出现到消失的物理过程,我们进一步地证明了电子隧穿至分立能级是负微分电阻效应发生的必要条件。综上所述,本研究工作在一个构造非常简单的体系里实现了不依赖于扫描隧道显微镜针尖的单分子重复的负微分电阻现象,并且通过模型模拟揭示了这一现象出现的物理机理。对这一机理的理解为构建结构简单,可重复性的负微分电阻器件提供了设计出发点。