DNA中的电荷与自旋输运现象

以DNA为代表的有机分子链中的电荷及自旋输运现象由于其重要的科学价值和器件应用前景在近年来获得广泛重视。这些低维系统往往具有环状或层状结构，p 电子轨道在层内形成扩展电子态并与相邻层电子态交叠使电子也可以比较自由地在层间运动。这种 p 电子结构正是导致DNA长程电输运及石墨良好导电性的原因。现有实验已经表明电子输运与DNA分子的损伤与修复过程密切相关。同时，DNA等分子中电子输运的研究也能为基因测序、DNA等一维分子链的器件设计提供依据。近年来具有丰富材料特性的有机环金属三明治一维分子结构中的电输运性质受到关注，在DNA分子链的层状碱基之间掺杂金属原子也成为改变其电学性质的一个手段。另外，最近受到广泛关注的一维石墨烯纳米带可以被用来制作连接DNA分子的电极。在锯齿型石墨烯纳米带中，p轨道在边缘形成自旋极化的量子态，且其能量正好处于费米面附近，因而能够决定该系统中的电子输运特性。本项目中我们首先利用紧束缚模型研究了DNA分子的一些性质。如存在碱基错配情况下DNA分子的电输运特性。结果表明错配碱基的存在能使分子的电流－电压特性曲线出现明显的台阶，这种特性有可能被用来制作记忆电子器件。同时我们也研究了局域和扩展声子模式的存在对电子输运的影响。此外，利用基于第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，我们研究了在石墨烯纳米带电极间DNA碱基处于不同角度、不同方向、和夹杂金属原子时的电输运特性。再次，我们研究了一维石墨烯纳米带分子的电子输运特性。得到了其中出现单自旋负微分电导特性的条件和物理机制。最后，以偶数宽度石墨烯纳米带作为电极，我们发现可以利用波函数的对称性来控制通过一维分子链的电流－电压特性。