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1、第28卷第2期物理学进展Vol.28No.22008年6月PROGRESSINPHYSICSJun.2008文章编号:100020542(2008)0220158233功能分子结构的组装和单分子物性:基于密度泛函理论的第一性原理计算与扫描隧道显微学(I)杜世萱,高鸿钧(北京凝聚态物理国家实验室,中科院物理研究所,北京100190)摘要:在单个分子的层次上研究低维分子纳米结构的生长,理解组装机制并实现结构与特性的有效控制,是低维体系物理及其器件研究的重要内容。本文在基于密度泛函的第一性原理计算的基础上,对功能分子在金属表面上的自组装特性等进行了综述。对理论方法作了简要介绍
2、后,综述了第一性原理计算方法在研究金属基底上分子自组装结构、界面特性、结构控制、单分子成像机制、单分子量子调控以及单分子输运性能等方面的应用。最后对基于密度泛函的第一性原理计算在解释功能分子组装与界面物理化学特性方面的发展前景进行了展望。关键词:密度泛函理论;第一性原理;自组装;电子结构;单分子成像中图分类号:O469;O561;O64文献标识码:A心,也是研究分子电子器件量子效应与调控技术的[1～5]0引言重要载体。对分子功能体系的组装与结构进行调控,进而实现对其量子效应的调控,是构建分子电对纳米结构的组装生长与结构调控研究是低维子器件的一个重要环节。在分子电子器件的
3、构建纳米体系物理及其在器件中应用的重要基础。纳米中,需要将分子植入金属或半导体纳米结构中,这方结构可由多种方式得到,如电化学沉积、化学沉积、面挑战性的问题主要有:(1)将分子可控制地自组装溶胶—凝胶法和化学气相沉积技术、模板自组装和到金属电极(或半导体)表面上的指定位置。基于扫非模板自组装等方法。自组装行为是自然界中物质描探针技术(SPM)的分子或原子操纵技术是最直自发形成各种结构以降低自由能的行为,无规则的接的定点组装分子器件的方法[6];传统上主要采用热运动使得粒子聚集成各种构型,形成在一定时间、模板法对分子的自组装位置及结构进行控制[7];近一定环境下能稳定存在的
4、结构。通过如此简单的物期,通过对分子修饰特殊的功能基团,采用非模板选理原理形成的图案或结构不仅包含了形成这种纳米择性自组装的方式,也可以控制有机分子自组装到结构的条件信息,还包含了自组装结构内部的结构[8]指定的位置。(2)分子与金属(半导体)连接界面信息。一个缓慢达到的热力学平衡态结构一定是一对自组装结构的电子态结构、输运性质等的影响。个简单而能够重复得到的结构,而一个动力学为主理解分子电子态的改变及电子输运中的一些现象是导得到的自组装结构将会很复杂。例如,分子在冷分子的内禀性质还是分子———金属(半导体)界面的水中将会自组装形成冰晶,而同样的分子在温度湿效应,对研究
5、器件的性质是十分有益的。Hu等发度不断改变的环境中将会自组装形成各种各样的雪现,分子在金属电极上的不同吸附位置和构型对其花状结构。自然界中许多有趣的结构都是自组装的电子态结构有较大的影响,从而影响了分子的输运结果。[9]性质;偏压和电场对分子的吸附构型也会产生较具有特定功能的有机分子的聚集体、低维组装[10]大的影响,进而影响其电子结构。(3)根据有机结构等是构造各种现代、未来电子器件的重要结构分子在金属、半导体表面的自组装规律,通过改变功单元,是分子材料器件和分子尺度器件的基础和核能有机分子的结构、基底的结构,实现功能纳米结构收稿日期:2008204208基金项目:国
6、家自然科学基金(10774176,60621061,60321001,60620120443)973项目(2006CB806202,2006CB921305)第2期杜世萱,高鸿钧:功能分子结构的组装和单分子物性:基于密度泛函理论的第一性原理计算与扫描隧道显微学(I)159[1,2,3,4]的可控自组装。Shi等通过改变有机分子取代烷烃理方法,其中包含绝热近似(AdiabaticAp2[11]链长的方法实现了对自组装结构的控制;通过选proximation)、密度泛函理论(DensityFunction择同种基底不同台阶面,也能控制有机分子的组装Theory,简称DFT)
7、、赝势方法(Pseudopotential)、[8]结构。(4)对单分子或分子聚集体进行直接观察、非平衡格林函数(NonEquilibriumGreenpsFunc2物理性质测量、新现象的发现等。为了更好地控制tion,简称NEGF)、分子力学方法等。分子的自组装结构,进而控制其物理性质,需要在单密度泛函理论(DensityFunctionalTheo2[17,18]分子层次上观测分子,理解分子的吸附行为,从而达ry)从Thomas2Fermi模型的出现,经过七十多到控制其构型和电子态的目的。分子本身具有量子年的发展,成功地应用于化学热力
