引言 目前，传统硅基芯片的性能已经逐渐接近其理论极限，为了适应科技的飞速发展，芯片革命已经势在必行。有机分子具有尺寸小、结构多样以及可通过辐射减少发热等特性，有极大的希望被应用于制备集成度更高、性能更强、散热更好的新一代微型芯片。对于有机分子器件而言，实现高效且可控的分子电导是一个巨大的挑战。理论上，电极之间分子的导电通路越多，就越容易实现高的电导，但是迄今为止，多通道的分子器件仍鲜有报道。近日，华南理工大学唐本忠院士团队赵祖金教授等开发了一种新型的单分子并联电路，利用价键共轭导电通道和空间共轭导电通道之间的协同作用，实现了优异的单分子电输运性能，为开发新一代多功能可控型分子器件提供了新的思路。 成果简介 研究人员成功制备了基于两条四联苯共轭链构建的折叠型分子 f-4Ph-4SMe，两条链末端共修饰有 4 个甲硫基，中间有一个双键对两条链进行连接和固定。晶体结构显示该分子具有规整的折叠构型，两条四联苯链近似平行地紧密排列，链间距约为 3.30 Å，因此两条链之间存在着较强的相互作用。4 个甲硫基可以与 2 个金电极相连接形成单分子结，类似于一个并联电路。溶液态的扫描隧道显微镜裂结（STM-BJ）测试结果显示 f-4Ph-4SMe 中存在着多种差异显著的电导态，该结果与单分子层状态下的测试结果相一致。结合理论计算，研究人员发现实验中测得的不同电导态是由于折叠分子与金电极之间形成的不同连接方式所导致的。当4个甲硫基全部与电极连接时，分子表现出最大的电导（10-4.4 G0）；当 3 个甲硫基与电极相连时，分子电导次之（10-4.69 G0）；当同一四联苯链上的2个甲硫基（如图中的 A1A2）与电极连接时，分子电导更小（10-4.94 G0）；当不同链上处于对角线位置的 2 个甲硫基与电极相连时，电导最小（小于检测限 10-6.0 G0）。该研究结果也与另外两个仅具有 2 个甲硫基的对比分子的电导性能相一致。 为了进一步研究 f-4Ph-4SMe 的最高电导态，研究人员结合密度泛函理论（DFT）研究了分子的电子结构。同时，结合非平衡态格林函数（NEGF）方法，研究者们计算了分子在电极之间的透射谱以及电子在电极之间传输时的透射路径。结果显示，由于 f-4Ph-4SMe 的两条四联苯链之间具有很强的空间共轭作用，前线轨道的电子云相互交叠，产生了通过空间而不经过化学键的导电通道，使得该折叠分子不仅具有沿着四联苯骨架的价键共轭导电通道，而且在两条四联苯之间形成了空间共轭导电通道。当上下两条四联苯链同时与金电极连接并导通时，价键共轭和空间共轭通道协同作用，产生了1+1>2 的效果，从而使 f-4Ph-4SMe 分子具有优异的导电性能。当与电极连接的甲硫基减少时，所形成的导电通道也随之减少，分子导电性能也随之下降。 该研究为人们理解电子在π-π 堆叠的分子体系中的传输机制提供了一个理想的模型。研究也表明，具有多锚定基团的分子导线与电极的不同链接方式将导致不同的导电性能，为实现单分子电导的可控性提供了思路。文中所提出的新型单分子并联电路对于开发性能可调的单分子器件具有重要的借鉴意义。 参考文献 Shen, M. Huang, J. Qian, J. Li, S. Ding, X. -S. Zhou, B. Xu, Z. Zhao, B. Z. Tang. Achieving efficient multichannel conductance in […]

引言 对于传输电信号或能量的界面来说，为了实现高效和稳定的传输，调控接触电阻一直是一个关键的问题。从宏观的多粗糙峰接触到原子尺度的弹道输运接触，接触电阻已经被证明了和“接触数量”，即真实接触面积有着密切的联系。另一方面，在很多情况下，例如对于二维电子器件中广泛存在的二维材料/金属界面或者二维材料/二维材料界面，接触电阻也与“接触质量”密切相关。经典Landauer公式或Richardson公式揭示了接触质量与界面的电子透射概率或界面势垒的性质的关系。然而目前仍然缺乏一个能够将接触质量与界面原子堆垛结构直接联系起来的实空间模型。 成果简介 清华大学研究人员与合作者采用导电原子力显微镜（c-AFM），密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，研究了石墨烯/Ru界面的原子尺度电输运机理。在此基础之上，他们提出了描述二维界面的接触质量与原子堆垛结构之间的关系的理论模型（ACQ模型）。这个模型可以用来描述接触电阻的原子尺度空间调制现象以及双层石墨烯层间电阻的转角依赖性。该研究以“Modeling Atomic-Scale Electrical Contact Quality Across Two Dimensional Interfaces”为题，发表于Nano Letters. 研究人员利用ACQ模型，进一步探究了扭转双层石墨烯层间电导的空间调制，模型的计算结果与实验现象吻合。后续工作以“Understanding Interlayer Contact Conductance in Twisted Bilayer Graphene”为题，发表于Small。 利用原子分辨率的c-AFM测量石墨烯/Ru界面的局域电导 研究者们测量了Pt针尖/石墨烯/Ru基底组成的体系的电导在AFM针尖扫描范围内的空间分布（图（a））。观察到了局域电导的摩尔纹级别（图（b））和原子级别 （图（c））的空间调制。这种调制现象与先前研究中利用STM观察到的调制现象存在着非常显著的差异，难以直接通过石墨烯表面的LDOS分布来解释。 石墨烯/Ru界面电输运性质的计算和分析 研究者们通过DFT+NEGF的计算，将局域电导的空间调制归因于石墨烯/Ru界面不同位置的电子透射系数，即“接触质量”的差异。进一步的研究表明，透射系数由局域载流子浓度和电子输运路径上的静电势垒决定，其中静电势垒与原子间的距离密切相关。 电接触模型的构建及应用 研究者们通过DFT+NEGF计算并拟合出了“接触质量”随原子间距离的变化规律，并修正了载流子浓度的影响，提出了原子接触质量模型（ACQ模型），揭示了界面原子堆垛结构与界面电导之间的联系。ACQ模型成功地复现了实验中观察到的石墨烯/Ru体系局域电导的摩尔纹级别和原子级别的空间调制。 研究者进一步将ACQ模型应用于扭转双层石墨烯体系。ACQ模型计算出的双层石墨烯层间电阻的转角依赖性与实验结果一致。同时该模型可以综合考虑局域载流子浓度和层间静电势垒的空间分布对局域层间电导的影响，其计算出的Pt针尖/扭转双层石墨烯体系的局域电导分布与c-AFM的测量结果相吻合。 参考文献 Song Aisheng, et al. “Modelling atomic-scale electrical contact quality across two-dimensional interfaces.” Nano letters 19.6 (2019): 3654-3662. Yu Zhiwei, Song Aisheng, et al. “Understanding Interlayer […]

利用密度泛函理论（DFT）和格林函数方法，文章报道了三种单层过渡金属二硫族物（TMDs）MoS2、MoTe2和WTe2 的 1T’ 相的不同边缘上存在具有非共线自旋形态的磁性边缘态。磁性态是零带隙的，伴随着时间反演对称性的自发破缺。这可能会对使用WTe2作为量子自旋霍尔绝缘体的前景产生影响。此前有报道通过应用垂直电场可以关闭1T’ TMDS的拓扑保护边缘状态【X.Qian，J.Liu，L.Fu，J.Li，Science 3461344（2014）】。本文通过完全自洽的DFT计算，证实了拓扑边态确实可以被关闭，但所研究的磁性边缘状态是强壮的，并在外加电场时保持零带隙。 模型 文章所使用的二维材料边缘模型是半无限周期的单边缘模型（只有一个边缘），因此克服了条带模型中宽度受限、两个边缘的缺点。x方向左侧的周期边界条件（PBC）、Dirichlet 边界条件（DBC）确保了周期体系和边缘部分的正确连接，x方向右侧的Neumann边界条件（NBC）则是真空静电势的最自然边界条件。z方向的DBC除了确保了模型更符合真实情况（无需周期性）之外，还允许在真空方向上增加栅极（Gate）来调控边缘态。 使用最新的QuantumATK P-2019.03 可以十分方便的计算这类Surface模型的能带结构，以研究三维周期体系的表面态或者二维周期体系的边缘态。 从下图可以看出，这种模型与纳米条带模型相比，周围电场的情况有明显的不同。 MoS2的能带和三种不同的边缘 三种不同边缘的能带 电场的影响 参考 Jelver, L., Stradi, D., Olsen, T., Stokbro, K. & Jacobsen, K. W. Spontaneous breaking of time-reversal symmetry at the edges of 1T’ monolayer transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B 99, 155420 (2019).（doi:10.1103/PhysRevB.99.155420；http://arxiv.org/abs/1812.09082） QuantumATK在材料表面与界面的计算中有独特的模型和方法：http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/materials-interface/ DFT-NEGF材料表面计算模型、方法与应用：http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/surface-negf-model/ QuantumATK P-2019.03新版发布：http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/release-p-2019-03/ 立即试用 QuantumATK！ […]

最近 Nature[1]上发表了一项研究，提出了一种新型的分子结，这种分子结比同样尺度的真空区域更加“绝缘”。这个效应是通过设计分子实现量子相消干涉实现的，这些分子在某些能量范围里强烈的抑制电子在分子中的透射。 输运性质的计算是由哥本哈根大学的Gemma Solomon组使用QuantumATK完成的。 合成与电导的实验测量是由上海师范大学的肖胜雄、哥伦比亚大学的Colin Nukolls和Latha Venkataraman等研究组合作完成的。这类分子可能用在热电或其他电子器件中作为绝缘体。 图1. 电子透过单分子结隧穿时的波函数衰减示意图。（a）透过低导电性分子（烷链）时；（b）透过空结（即电极间是真空）；（c）透过一个分子发生量子相消干涉的情况，隧穿概率非指数衰减。     参考资料 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供，详见以下教程： 相关的中文教程列表 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 [1] M. H. Garner, H. Li, Y. Chen, T. A. Su, Z. Shangguan, D. W. Paley, T. Liu, F. Ng, H. […]