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随着尺寸不断接近纳米数量级,传统硅基电子器件将面临因量子效应而产生的一系列难以逾越的挑战。因此,大力发展分子电子器件就成为了一种解决问题的有效途径。尽管目前对于分子器件的研究取得了一些重要进展,但是关于分子电子器件的电子输运机理、分子材料在电场下的行为等问题还缺乏全面和深入的认识。因此,有必要首先从理论上研究这一系列的问题。利用密度泛函理论(Density Function Theory,DFT)中的B3LYP方法选取6-31G*(对于C、H、N)和LanL2DZ(对于金属)基组,研究了卟啉(PH2)和数种金属卟啉(ZnP、MgP、MnP、FeP、CoP、NiP、CuP、PdP、SnP)的几何结构,发现卟啉并非严格对称分子,金属卟啉才是严格对称的平面结构。使用DFT与非平衡态格林函数(Non-equilibrium Green’s Functions, NEGF)相结合的方法探讨了卟啉分子与Au(111)电极表面的连接方式(水平连接和对角连接)、卟啉(PH2)和4种金属卟啉[锌卟啉(ZnP)、镍卟啉(NiP)、钯卟啉(PdP)、铂卟啉(PtP)]的电子传递性质等问题。结果显示,当分子与电极水平连接时具有明显的导电优势;卟啉和4种金属卟啉(ZnP、NiP、PdP、PtP)具有接近的导电性质,其导电能力大小顺序是PH2>ZnP>PdP>PtP>NiP;还研究了链长对低聚卟啉(2~4个卟啉单元)的电子传递性质的影响。根据卟啉分子的导电特性和前人已经完成的实验,设计了3种卟啉-X分子:卟啉-烷(porphyrin-alkyl)、卟啉-苯(porphyrin-phenyl)、卟啉-炔(porphyrin-alkyne),并使用DFT与NEGF相结合的方法研究了功能修饰基团对分子下列性质的影响:分子电压-电流曲线、分子隧穿谱、前线轨道的能级位置和空间分布。结果显示,卟啉-炔分子的电子传递能力最强,其次是卟啉-苯分子,而卟啉-烷分子的导电性最差;但是,卟啉-烷和卟啉-苯分子具有明显的整流特性,而卟啉-炔分子几乎没有整流效果;因此可以断定在卟啉分子的一端引入共轭强度不同的基团(如烷基、苯基),可以使分子的电子结构具有非对称性,这为设计分子开关、分子整流器、分子存储器提供了优良的材料。