بخشی از مقاله
تاثیر گروه عاملی در تغییر ترابرد الکترون از میان سیم هاي مولکولی
چکیده
بر پایه مدل بستگی قوي و روش تابع گرین تعادلی، به مطالعه ترابرد الکترون از میان سیستمهاي مولکولی متصل به دو الکترود نیم بی نهایت در حضور گروه هاي عاملی، پرداخته ایم. نتایج نشان میدهند نوع سیستم مولکولی، مکان اتصال گروه عاملی به مولکول و تعداد گروه هاي عاملی، میتواند نقش مهمی را درتغییر احتمال عبور الکترون از میان سیم هاي مولکولی ایفا کند. از اینرو، می توان کاربرد این نوع سیم هاي مولکولی را بعنوان حسگرهاي نانو ساختاري در صنعت الکترونیک، فراهم ساخت.
مقدمه
با توجه به هدف صنعت الکترونیک در ساخت قطعات الکترونیکی در مقیاس نانو، مولکولها به علت دارا بودن خصوصیات قابل توجه از قبیل اندازه کوچک، توانایی تشکیل آرایش خودبخودي، قابلیت رسانا بودن - وجود پیوندهاي آزاددر ملکولهاي داراي پیوند چندگانه - و انعطاف پذیري توانسته اند این هدف را میسر سازند .[1] از اینرو این زمینه، اشتیاق و مطالعه بسیاري از محققان تجربی و تئوري را به خود جلب کرده است. از دیدگاه تاریخی اولین بار آویرام-رتنر به شکل تئوري، یک قطعه الکترونیکی بر پایه مولکول را در نقش یکسو کننده توصیف کردند .
به تدریج با امکان اتصال الکترونیکی مولکولها [3-5]و بررسی مشخصات الکترونیکی مولکولها، بسیاري از قابلیت هاي الکترونیکی مانند سوییچ هاي الکترونیکی، حسگرهاي نوري، گرمایی و الگتریکی، سلول هاي حافظه مولکولی، ترانزیستورها،... توسط محققان انجام گرفت . از طرف دیگر، مدل هاي تئوري مختلفی براي توصیف و شناخت خصوصیات الکترونیکی مولکولها [8-11] لحاظ شده است.
در این مقاله، با استفاده از روش تابع گرین تعادلی بر پایه مدل بستگی قوي [12] به بررسی تئوري حسگرهاي مولکولی پرداخته می شود. از اینرو، اثر گروه عاملی در تغییر مشخصه الکترونیکی سیم هاي مولکولی تحقیق می گردد. همچنین، تغییر مکان اتصال، تعداد گروه هاي عاملی و تغییر سیستم مولکولیمطالعهمیزبان، میشود. در قست بعد به طور خلاصه، مدل تئوري در تعیین تابع عبور سیستم هاي نانو ساختاري مانند مولکول متصل به دو الکترود، شرح داده می شود. سپس، نتایج حاصل از ترابردمیانالکترون از سیستم هاي مولکولی با استفاده از مدل فوق، مطالعه می شود. درپایان، به بیان چکیده و نتیجه گیري از مطالب مذکور، پرداخته می شود.
روش
این قسمت به توصیف مدلی کیفی به منظور تعیین تابع عبور مولکول متصل به دو الکترود نیم بی نهایت - سیم مولکولی - با استفاده از روش تابع گرین بر پایه مدل بستگی قوي - برهم کنش میان نزدیکترین همسایه ها - می پردازد .[12] با توجه به تعریف ماتریسی تابع گرین براي یک سیستم دلخواه،تعیین می کند در اینجا نیز با فرض مدل بستگی قوي، تنها عناصر غیر صفر ماتریس خودانرژي باید مربوط به اوربیتالهاي اتمی از مولکول باشد که به الکترود متصل هستند.
با داشتن ماتریس خود انرژي، کمیت مهم دیگري که در تعیین تابع عبور سیستم لحاظ می گردد، 1, 2 2 Im 1, 2 ، است که شدت جفت شدگی میان سیستم مولکولی و دو الکترود را بیان می کند. به عبارت دیگر، با تغییر آن، میتوان شاهد تغییر میزان پهن شدگی ترازهاي انرژي سیستم مولکولی در اثر حضور الکترود باشیم.
نتایج
در ابتدا، مولکول فنالنیل در نظر گرفته میشود. معمولا براي اتصال به الکترودها، گروههاي تیول - پیوند - SH انتخاب می شود. در آزمایشات معمولا دو الکترود از جنس طلا انتخاب می شوند و گروه هاي تیول با روش شیمیایی جذبی، به الکترودها اتصال می یابند. در این روش، اتم هاي هیدروژن، حذف و اتم هاي سولفور باقی می مانند . در این مدل، الکترودهاي نیم بینهایت، سیم هاي کوانتمی فرض می شوند. مقادیر خودانرژي مربوط به اوربیتال هاي اتمی مولکول و الکترود، صفر فرض می شوند.
شدت جفت شدگی میان اوربیتال اتمی با یکدیگر، همچنین میزان جهش اوربیتال هاي اتمی سیم هاي کوانتمی، t l t m 3eV است. در انتها نیز، مقدار جفت شدگی میان مولکول و الکترودها در رژیم جفت شدگی ضعیف، t m l 0.5 eV لحاظ میشود. در ادامه به منظور بررسی حضور عاملی خارجی بر سیستم مولکولی، یک گروه عاملی بعنوان مثال گروه الکترون دهنده متیل بر مولکول، در نظر گرفته می شود.
بنابراین، منحنی احتمال عیور الکترون از سیم مولکولی فنالنیل با حضور گروه عاملی متیل در شکل 1 نشان داده شده است. طرحی از سیم مولکولی فنالنیل در حضور گروه عاملی، منحنی عبور مولکول فنالنیل بر حسب تابعی از انرژي الکترونهاي تزریقی در حالت خالص - مشکی - و در حضور گروه عاملی خط چین - همانطور که در شکل دیده می شود، احتمال عبور الکترون در حالت جدید، در بعضی انرژیها صفر می باشد. این امر را میتوان از دودیدگاه توجیه کرد. در حالت جدید، مطمئنا هامیلتونی سیستم جدید تغییر کرده است.
از اینرو، شرایط تشدید و عدم تشدید - تطبیق انرژي الکترون هاي ورودي با ترازهاي انرژي سیستم - در انرژي هاي متفاوتی نسبت به حالت قبل روي میدهد. از طرف دیگر، میتوان گفت حضور گروه عاملی، تقارن سیستم را برهم می زند. بنابراین، با درنظر گرفتن تمام مسیرهاي ممکن براي عبور الکترون، بعنوان مثال، عدم تشدید در انرژي صفر، ناشی از تداخل ویرانگراز برایند مسیرهاي حاصل است. به بیان دیگر میتوان این موضوع را به تداخلات کوانتمی نسبت داد. همچنین ارتفاع قله هاي عبور در حضور گروه عاملی نسبت به قبل، کاهش یافته است. این امر نیز، ناشی از کاهش دامنه عبور توابع موج الکترونی مسیرهاي مختلف از یک الکترود به الکترود دیگر گردد. همچنین با توجه به ترابرد صفر در انرژي فرمی تعادلی، نسبت به حالت قبل، میتوان گفت سیستم، گذاري از حالت نیم رسانایی به نارسانایی داشته است.
در ادامه، میتوان با تغییر جایگاه گروه عاملی، تقریبا تغییر در احتمال عبور الکترون را داشته باشیم. ، حضور گروه عاملی در جایگاه 3 گاف عبوري کمتري را در انرژي صفر نسبت به جایگاه9 دارد. مشابه با حالت قبل، این موضوع را کاملا میتوان به دلایل مذکور نسبت داد. طرحی از سیم مولکولی فنالنیل با تغییر جایگاه گروه عاملی - سمت چپ، جایگاه 3، سمت راست جایگاه . - 9 منحنی عبور مولکول مذکور بر حسب تابعی از انرژي الکترونهاي تزریقی، در حالت خالص - مشکی - ، در حضور گروه عاملی در جایگاه 3 - خط چین - ، در جایگاه 9 - نقطه چین - . پس از آن، سیستم مولکولی موردنظر با دو گروه عاملی، درنظر گرفته شده است.
در این حالت بعلت تاثیر این دو گروه، مقادیر خودانرژي و انرژي جهش میان اوربیتال اتمی تغییر بیشتري می یابد. از اینرو، میتوان تغییر احتمال عبور را در حالت خالص، حضور یک گروه عاملی و حضور این دو گروه مشاهده نمود.
