分子链中电荷量子输运的紧束缚模型

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本论文基于电子及电声子相互作用紧束缚模型建立了一个描述分子链中电荷量子输运的简单理论。在一些具有应用前景的分子链(如DNA分子链)和原子链(如碳、金原子链)中,外层价电子(如DNA中的π电子)主要被束缚在链的某个单元(原子或原子团簇),且同时电子可以通过单元之间的相互作用沿分子链迁移。当链的尺寸(如纳米级)小于电子的相干长度(如微米级),链中的电子处于相位相干的量子态,电子的输运则主要是量子输运并可以用紧束缚模型得到很好的描述。分子链单元内和单元间由于原子间的相互作用会存在许多振动模式,即声子态。实验表明,原子振动通过电声子相互作用能对电荷量子输运产生较大影响。有些声子模式扩展分布于整个分子链,这时电声子相互作用可以用SSH模型来描述;有些声子模式则被局限于某个单元,主要通过影响该单元的电子态来影响电荷输运,这时电声子相互作用可以用Holstein模型来描述。在这些模型的基础上我们用格林函数方法推导了简单系统中量子输运的表达式,并通过数值计算比较了扩展声子模式与受限声子模式对电子量子输运的可能影响。论文首先介绍了介观物理学和量子输运理论的发展;随后综述了分子电子学的一些进展,包括近年来的部分研究热点以及未来的发展的可能方向。我们看到,量子输运有可能是未来电子器件包括分子器件的重要物理运行机制。基于紧束缚模型的格林函数方法已经被广泛应用于纳米半导体器件和分子器件中的量子输运模拟。论文接下来在假设一维分子链器件这样一个简单而又有普遍性的情形下引入了紧束缚模型以及格林函数法来描述器件中的电子状态并推导了相应的量子输运的数学模型。同时还介绍了存在电声子相互作用时电输运性质的理论结果。最后通过MATLAB编程和数值计算我们得到了相应的量子输运性质,即伏安特性(Ⅰ-Ⅴ)及其一级((dI/dV)-V)和二级((dI2/dV2)-V)导数曲线、分析了这些曲线的物理意义、并讨论了电声子相互作用对电子输运的影响。
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