有机功能分子信息器件中电子干涉机理与应用研究

电子的量子干涉是量子力学的基本物理现象，利用量子干涉设计基于有机功能分子结构的新型信息器件是当前信息科学的一大热点。然而，迄今没有一个具体的方法可在分子体系中引入相干电子并控制其相位。本项目拟采用非平衡格林函数方法和密度泛函理论相结合的方法，从研究聚乙炔侧链的长度效应出发，研究共轭分子侧链可能存在的阻抗效应，从相位层次揭示分子体系中量子干涉的物理机制；研究如何利用干涉效应调控分子导线、分子环、石墨烯纳米条带的电子输运和磁输运特性，实现功能各异的信息器件。着重研究侧链阻抗效应的相位共振机理，电子相位的化学可控性，和量子干涉效应在分子器件设计中的应用等。拟解决的关键问题：共轭有机分子侧链是否存在阻抗效应；主链中相干电子相位差与侧链长度之间的周期性函数关系。研究成果可为理解分子体系的量子干涉行为提供清晰的物理图像，对预测量子干涉的存在性和利用量子干涉进行分子信息器件设计具有理论支持和指导意义。

本项目按照原计划开展了研究，取得了预期的研究成果，已圆满完成预期指标。迄今为止，本项目在国际国内学术期刊发表研究论文38篇，其中SCI收录37篇，EI收录1篇，另有1篇接收在线。发表的论文中有二篇被列入ESI高被引论文。. 在过去十年来，石墨烯纳米条带作为低维碳纳米材料拥有独特的电子结构和新颖的输运性质吸引了很广泛的关注。石墨烯纳米带的出现进一步推动了有机功能分子材料的相关研究。有机功能分子器件是指在分子水平上具有特定功能的微型器件，目前有以下几个类别：分子导线、分子开关、分子整流器、分子储存器、场效应晶体管以及分子计算机等。石墨烯，碳基材料以及类石墨烯等低维材料则是这些功能分子器件的热门组成材料。.本项目利用电子的波动特性，对有机功能分子器件的电荷流和自旋流进行系统控制，从波函数相的角度调控分子信息器件的电、磁输运性能，并利用共轭侧链的阻抗效应对主链分子体系的电子相位进行调控。具体研究了基于边界修饰、氢化以及碳原子链等对石墨烯纳米条带的电子结构和输运性质的调控效应；反式聚乙炔分子侧链对齿型石墨烯条带电子结构和磁性的调控效应；石墨烯纳米带、碳纳米管等之间的相互复合形成的复合系统以及异质结构的电子输运性质；铬卟啉分子器件中的自旋输运性质；轨道不对称性及掺杂实现石墨烯条带器件的开关效应及整流效应；以及铁原子掺杂和吸附对含缺陷型齿型氮化硼纳米带的电磁性质的影响等，取得了初步的研究成果。. 该项目取得的成果，主要分为以下两个部分，共六个要点。第一个部分可概括为有机功能分子信息器件中电子干涉机理与应用研究，主要包括以下三个要点：1. 边界修饰或氢化对石墨烯纳米条带的电子结构和输运性质的调控。2. 石墨烯纳米带和碳纳米管复合异质结构的电子输运性质，以及铬卟啉分子器件中的自旋输运性质研究。3. 波函数相位不匹配及氮原子掺杂实现石墨烯条带器件的整流及开关效应。第二个部分可概括为石墨烯、类石墨烯二维材料的电子结构与磁性调控效应及其机理研究，分为以下三个要点：1. 反式聚乙炔分子侧链对齿型石墨烯条带电子结构和磁性的调控效应。2. 铁原子掺杂和吸附对含缺陷型齿型氮化硼纳米带的电磁性质的影响。3. 锯齿型硅碳纳米带的电子结构和磁耦合特性及添加三层钆酞菁电子增强铁磁性。目前，类石墨烯材料也有着极大的前景，我们打算对其进行相关电磁性质的调控研究。

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