分子结拉伸与界面识别:破解4,4′-二吡啶分子结拉伸过程中高低电导之谜

4,4′-二吡啶分子结在拉伸过程中呈现出独特的高低电导现象,是分子电子学近十几年研究中的未解之谜.根据实验测量过程以及所采用的技术手段,发展了基于第一性原理计算的分子结绝热拉伸模拟方法,对4,4′-二吡啶分子结的拉伸过程进行了模拟计算.并利用一维透射结合三维修正近似(OTCTCA)方法计算了拉伸过程中体系电导的变化,成功破解了4,4′-二吡啶分子结在拉伸过程中的高低电导之谜.结果显示,在4,4′-二吡啶分子结的拉伸过程中,分子末端的氮原子很容易吸附到探针电极的第二层金原子上,并且导致分子对尖端金原子产生特有的侧向推动作用,将探针尖端金原子推向一侧,从而在拉伸过程中出现高电导平台.进一步拉伸分子结,分子上端氮原子移动并吸附到探针尖端金原子上,同时尖端金原子重新回到原来的晶格位置上.体系电导也因此降低大约5—8倍,形成低电导平台.根据计算结果,4,4′-二吡啶分子结双电导平台的出现同时表明基底电极很容易存在表面金原子,且只有分子吸附到表面金原子上才会出现高低电导现象.可见,利用分子结拉伸过程中测量到的电导曲线并借助理论计算可以有效识别分子结界面结构.另外,对4,4′-二吡啶分子结高低电导现象物理过程和内在物理机制的破译,为更好利用含吡啶末端分子构建分子开关、分子存储器、分子传感器等功能分子器件提供了重要技术信息与依据.

单分子器件的拉伸与断裂过程第一性原理研究:末端基团效应

基于密度泛函理论,研究了含S以及含N末端基团的分子结的拉伸与断裂过程.计算结果显示,对于尖端为锥形的金电极,当末端基团为-S时,拉断分子结的作用力大小为0.,59 nN,大于H原子未解离的-SH从金电极上断裂所需的0.25 nN作用力,但明显小于-S末端从平面金电极上断裂下来的约1.5 nN的作用力.当末端基团是-NH2或-NO2时,分子结断裂所需拉力分别为0.45和0.33 nN.体系轨道分布表明,分子与电极通过前线占据轨道耦合后形成的扩展体系分子轨道离域性越好,拉断分子结所需的作用力越大.自然键轨道(natural bond orbital,NBO)分析显示,若分子末端与电极间未形成成键轨道,末端原子上更多的NBO净电荷可以提高分子与电极间结合的稳定性.结合我们以前的研究,可以发现,-S末端和-NH2末端对金电极界面的微观构型具有明显的识别功能,这为精确操控并理解分子与金电极间的相互作用及界面结构提供了有用信息.