單分子電子器件輸運性質研究取得的新進展

合肥微尺度國家實驗室侯建國教授領導的研究小組在單分子電子器件的輸運性質研究中取得了新的進展。結合實驗現象和理論分析，他們提出了一種新的產生負微分電阻的機制－利用電極與單分子之間的局域電子軌道的對稱匹配，相關成果發表在美國《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 99, 146803(2007) ）上。該工作得到了國家自然科學基金和科技部重大研究計劃項目的資助。

單分子電子器件研究一直是國際上關注的焦點，人們期望在將來能夠讓單個分子成為集成電路的基本單元，不但使電路的集成度大大增加，而且可以成功減少功耗。負微分電阻（NDR）現象表現為在特定的電壓段，電流隨著電壓的增大而減少。通常是由兩個電極上的局域電子態之間的相互作用或分子本身的化學變化引起的。這種現象在單分子器件中有著重要的應用。NDR現象在掃描隧道顯微鏡（STM）構成的單分子研究系統中也時有發現。通常是解釋為原子級尖銳的STM針尖，或者是針尖上吸附有分立能級的分子或團簇，又或者利用分子的振動能級。

侯建國小組利用STM研究Au(111)表面上吸附的鈷酞菁（CoPC）分子。采用了Ni和W兩種針尖測量掃描隧道譜（STS），Ni針尖在CoPC分子的中心Co原子處得到的I-V曲線中觀察到NDR現象，偏離Co原子，NDR現象消失；而W針尖無論什么位置都觀察不到NDR現象。不同的Ni和W針尖均得到同樣的結果，表明這是與以往機制不同的一種NDR現象。理論計算表明，Ni和W針尖均為較為展寬的連續能帶，不同的是W針尖的能帶由三種d軌道混合而成，較為平緩，Ni針尖在費米面附近主要由較為局域的dyz(xz)軌道構成，而Co原子占據態中有比較強的局域的dyz(xz)軌道成分。根據量子隧穿原理，不同對稱性的d軌道之間隧穿幾率非常低，只有同樣對稱性的d軌道之間會產生很強的共振隧穿。實驗中觀察到的NDR現象可以解釋為Ni針尖和Co原子相同對稱性的d軌道之間的共振隧穿，理論模擬的I-V曲線很好地符合了實驗現象。

該成果不僅僅提出了一種新的產生負微分電阻的機制，更重要的是給出了一種有效的思路去控制單分子器件的功能，即利用電子軌道的對稱性，為人們設計新的單分子器件提供了新的途徑。

原文發表于2007年12月20日