石墨烯基分子逻辑门器件理论设计及机理和可靠性研究

Building molecular devices with specific functionality by using single molecules or molecular clusters is an important research subject in molecular electronics since it provides a promising solution to the imperative miniaturization of nowadays microelectronic devices. As the studies on molecular devices are developed, a series of deeper scientific issues in molecular electronics needs to be solved, such as what is the relationship between the conductance property of an aromatic molecule and its aromatic strength, how to design molecular logic gate molecular devices and how to analyze reliability of the designed molecular devices when they work in ambient environment. In this proposal, molecular devices with graphene as the electrodes will be specially focused. First, the relationship between the conductance property of aromatic molecules and their aromatic strength will be investigated using nonequilibrium Green’s function method combined with density functional theory. The essential relationship between the aromaticity and conductance of the aromatic molecules in the case of stable molecule/electrode connections will be obtained. Then, molecular logic gate devices will be theoretically designed based on transition-metal phthalocyanine and porphyrin complexes and the corresponding mechanisms will be explored. Furthermore, effects of the surrounding environment on the structural and functional stabilities of the designed molecular devices as well as the corresponding mechanisms will be consequentially studied. The reliability of the devices will thus be analyzed. This project is of great significance to establish the relationship between the aromaticity and conductance of aromatic molecules, to design molecular logic gate devices with stable performance in the ambient environment, and to promote the further development of molecular electronics.

利用单分子或分子团簇构筑具有特定功能的分子器件是分子电子学重要的研究内容，满足了当今微电子器件不断小型化的需要。随着分子器件研究工作的深入，分子电子学的发展面临着一些深层次的科学问题，如分子导电性能与分子芳香性之间的关系、分子逻辑门器件的设计及其可靠性的分析等。本项目以石墨烯作为电极构建分子器件。首先，利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法研究分子导电性能与分子芳香性之间的关系，揭示在稳定的分子/电极连接方式下芳香性分子导电特性与其芳香性间的本质关系。然后，利用金属酞菁和卟啉衍生物从理论上设计具有逻辑运算功能的分子逻辑门器件，揭示其工作机理。进一步研究外部环境对所设计器件的结构和功能稳定性的影响，理解外部环境对其作用机理，分析其可靠性。本项目对建立分子导电性能与分子芳香性之间的关系、设计能够在外部环境下性能稳定的分子逻辑门器件、推动分子电子学深入发展等具有重要的意义。

随着微电子器件尺寸的持续减小，分子电子器件研究日益受到人们重视。分子电子器件是用单个有机分子、分子团簇或超分子作为基本组成单元的纳电子器件，将代替或补充传统的硅基半导体电子器件来构建逻辑集成电路，乃至组装成完整的分子计算机。分子电子器件不仅是微电子器件小型化难题最有希望的解决方案之一，而且为在单分子水平上研究非平衡多体量子物理、化学反应等基础问题提供了实验和理论平台。本项目利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法，探索分子导电性能与分子结构、分子本征属性等因素之间的关系，寻求对分子器件电荷和自旋输运性能的调控方法，设计高性能的单分子器件。利用金属酞菁和卟啉衍生物，探索单分子逻辑门器件原理，设计具有逻辑计算功能的分子器件。发展理论方法，研究分子场效应晶体管的输运特性，设计具有高开关比的场效应管。进一步研究环境对分子器件的影响机理。.具有基本逻辑运算功能的分子器件是推动分子电子学应用的重要一步。自旋驱动的单分子逻辑门是设计的一类分子逻辑门器件。锰卟啉分子通过左右两侧的四碳原子链对称地连接到扶手椅型石墨烯纳米带电极上。自旋相关的伏安曲线取决于电极与分子接触的锯齿形边缘上碳原子和过渡金属锰原子的初始自旋设置。通过同时调节功能分子和电极锯齿形边缘的自旋方向，获得了七种自旋极化构型。根据特定的输入和输出信号，创建了YES, NOT, OR, NOR, 和 XOR 等自旋逻辑门。全电驱动的单分子逻辑门是设计的另一类分子逻辑门器件。在基于二茂铁的单电子晶体管中，二茂铁的两个相邻导电分子轨道的能量间隔大约为100 meV，都位于电极的费米能量附近，且这种能量特征不依赖于晶体管内部分子的构像。因此，这两个分子轨道可用于低输入电压的逻辑门操作。当施加栅极和偏置电压时，分子轨道发生了变化，但电流转换是稳定的。设计了1端和2端输入的单分子逻辑门。合作方从实验上制备了一个单分子单电子逻辑计算器的原型，实现了所有通用逻辑门(YES, NOT, PASS_1，PASS_0，AND, XOR, OR, NAND, NOR, INT和XNOR)。

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