单分子电子器件输运性质研究取得的新进展

合肥微尺度国家实验室侯建国教授领导的研究小组在单分子电子器件的输运性质研究中取得了新的进展。结合实验现象和理论分析，他们提出了一种新的产生负微分电阻的机制－利用电极与单分子之间的局域电子轨道的对称匹配，相关成果发表在美国《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 99, 146803(2007) ）上。该工作得到了国家自然科学基金和科技部重大研究计划项目的资助。

单分子电子器件研究一直是国际上关注的焦点，人们期望在将来能够让单个分子成为集成电路的基本单元，不但使电路的集成度大大增加，而且可以成功减少功耗。负微分电阻（NDR）现象表现为在特定的电压段，电流随着电压的增大而减少。通常是由两个电极上的局域电子态之间的相互作用或分子本身的化学变化引起的。这种现象在单分子器件中有着重要的应用。NDR现象在扫描隧道显微镜（STM）构成的单分子研究系统中也时有发现。通常是解释为原子级尖锐的STM针尖，或者是针尖上吸附有分立能级的分子或团簇，又或者利用分子的振动能级。

侯建国小组利用STM研究Au(111)表面上吸附的钴酞菁（CoPC）分子。采用了Ni和W两种针尖测量扫描隧道谱（STS），Ni针尖在CoPC分子的中心Co原子处得到的I-V曲线中观察到NDR现象，偏离Co原子，NDR现象消失；而W针尖无论什么位置都观察不到NDR现象。不同的Ni和W针尖均得到同样的结果，表明这是与以往机制不同的一种NDR现象。理论计算表明，Ni和W针尖均为较为展宽的连续能带，不同的是W针尖的能带由三种d轨道混合而成，较为平缓，Ni针尖在费米面附近主要由较为局域的dyz(xz)轨道构成，而Co原子占据态中有比较强的局域的dyz(xz)轨道成分。根据量子隧穿原理，不同对称性的d轨道之间隧穿几率非常低，只有同样对称性的d轨道之间会产生很强的共振隧穿。实验中观察到的NDR现象可以解释为Ni针尖和Co原子相同对称性的d轨道之间的共振隧穿，理论模拟的I-V曲线很好地符合了实验现象。

该成果不仅仅提出了一种新的产生负微分电阻的机制，更重要的是给出了一种有效的思路去控制单分子器件的功能，即利用电子轨道的对称性，为人们设计新的单分子器件提供了新的途径。

原文发表于2007年12月20日