吡啶环分子器件电子输运特性研究

  0 1 引言  

利用分子器件实现传统电子元件的基本功能已被认为是分子电子学的研究目标，因而该研究领域备受关注，并发现了许多有趣的物理特性，如分子整流、分子开关，以及负微分电阻（Negative Differential Resistance，NDR）特性等。有研究表明具有NDR特性的分子器件可用于实现极低静态功耗和极高密度的存储单元，且低偏压、高峰谷电流比（PVR）的分子NDR器件可用于DRAM记忆单元的局域刷新。因此，低偏压、高PVR的分子NDR器件具有广阔的应用前景，该种特性分子器件是本项目主要研究内容。

为获得具有上述特性的分子NDR器件，一方面要探寻具有优良特性的中心分子，另一方面也需探索电极对分子器件输运特性产生的影响。前期调研工作表明芳香分子的导电性与其内禀芳香性负相关，吡啶分子中含有的氮元素降低了分子的芳香性，提高了其导电性。此外，石墨烯纳米带（GNR）列为具有弹道传输、电迁移电阻等优良特性的互连材料，同时调研发现仅通过控制石墨烯形变状态即可调控其输运特性。基于上述调研，项目计划构建以2-苯基吡啶分子为中心区分子，以锯齿型石墨烯纳米带（ZGNR）为电极构建分子器件，采用非平衡格林函数(NEGF)结合密度泛函理论(DFT)探究ZGNR电极弯折角度的变化对器件NDR特性的调控作用，探讨获得低偏压、高PVR的分子NDR器件物理规律，以期为深入理解分子器件电子输运特性及其调控和实际应用提供有益的参考。

0 2 成果简介  

采用非平衡格林函数结合密度泛函理论探讨了以锯齿型石墨烯纳米带为电极，2-苯基吡啶分子为中心区的分子器件的电子输运性质。计算结果表明，器件具有负微分电阻特性，且电极的弯折能够调控该特性，进而获得低峰值电压、高电流峰谷比的负阻特性。分析认为，电极弯折导致器件中心吡啶分子与电极间耦合力减弱，而耦合力的强弱反应了两者间电子波函数交叠的变化，与耦合力密切相关的透射系数对外加偏置电压的变化敏感，由于耦合力减弱，低外加偏压下器件透射系数大幅变化，导致负阻特性对应的电压区间向低电压方向移动，实现了器件负微分电阻特性的调控。其中电极弯折角度为15°时，器件的电流峰谷比值最大为7.83，峰值电压为0.1V。本文工作表明，锯齿型石墨烯纳米带为电极的2-苯基吡啶分子器件表现出了负微分电阻的可调控性，其具有的低偏置峰值电压(0.1V)、高电流峰谷比的负阻特性在低功耗分子电子器件领域具有潜在的应用前景。

0 3 图文导读  

图1 2-苯基吡啶分子器件结构图，图中所示θ为石墨烯电极弯折角度

图2 器件M1-M4的I-V特性曲线图

图3 器件M1-M4在+0.1V、+0.2V、+0.6V、+0.8V和+1.0V的透射谱图

图4 平衡态下（Vb=0）器件M1-M4的透射谱图

图5 平衡态下（Vb=0）器件M1-M4的态密度图（a）及Ef处的实空间散射态分布图（b）

表1 器件M1-M4的峰值电流（Ip）、谷值电流（Iv）、峰谷电流比（PVR）、峰值电压（Vp）

表2 平衡态下器件电极和中心分子在Ef处投影态密度值及其在总态密度降低值的贡献

表3 器件M1-M4在零偏压、+0.1V、+0.2V、+0.6V和+1.0V下散射态实空间分布图，色坐标参考图5(b)

0 4 小结  

本文采用鸿之微Nanodcal软件探讨了锯齿型石墨烯纳米带（ZGNR）电极弯折对2-苯基吡啶分子器件负微分电阻特性的调控机理。由I-V特性及透射谱随偏压的变化说明，器件具有NDR特性，且ZGNR电极弯折能够调控NDR特性，提升器件的负阻性能。分析认为，ZGNR电极弯折后器件的2-苯基吡啶分子与ZGNR电极间耦合减弱，弱耦合条件下，外加偏压后器件的透射系数因能级的移动和偏压的变化而产生大幅波动，故器件M2-M4在外加低偏置电压（0.1V或0.2V）处即出现大的透射系数，产生峰值电流Ip，降低了器件的Vp值，且增大了PVR值，NDR对应的电压区间向低偏压方向移动。

平衡态下器件M1-M4的透射谱、态密度和散射态实空间分布图解释了ZGNR电极弯折后器件的中心分子与电极间的耦合减弱，由投影态密度计算结果解释了二者间耦合减弱是源于ZGNR电极弯折。电极弯折改变了中心分子与电极间电子的相互作用，使两者间的波函数交叠发生变化是器件中心2-苯基吡啶分子与ZGNR电极间耦合减弱的主因。因此，分子器件的电子输运性质不仅取决于中心分子和电极的固有特性，两者间耦合强弱的变化对其输运特性也产生显著影响。本文中高对称结构的分子器件，通过控制电极弯折角度能够调控中心分子与电极间耦合的强弱进而影响了器件的输运特性。

ZGNR电极弯折后，器件M2-M4的NDR均较M1表现出Vp减小，PVR增大，其中电极弯折角度为15°时，器件M2的PVR值最大为12.84，Vp值减小至0.1V，其所获得的低Vp、高PVR的负阻特性在低功耗分子电子领域具有潜在的应用前景。

 



审核编辑：刘清