01引言

幾十年來(lái)，納米團(tuán)簇備受研究者的關(guān)注。人們對(duì)納米團(tuán)簇的興趣主要源于其在化學(xué)和物理性質(zhì)上與宏觀水平明顯不同的特點(diǎn)。作為金屬團(tuán)簇的典型代表，金團(tuán)簇在電子學(xué)、光學(xué)、催化甚至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要價(jià)值。多年來(lái)，人們對(duì)金團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、催化活性和熔化行為進(jìn)行了廣泛研究，得到了許多有意義的結(jié)果。其中，小型金團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)特別引起了科學(xué)家們的關(guān)注，因?yàn)檠芯勘砻鳎饒F(tuán)簇偏愛(ài)二維平面或相對(duì)平坦的結(jié)構(gòu)，即使在團(tuán)簇尺寸達(dá)到11-13個(gè)原子時(shí)仍然如此。只有少數(shù)最低能量結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維特征。

自2004年發(fā)現(xiàn)單層石墨烯以來(lái)，二維系統(tǒng)的重要性逐漸被認(rèn)識(shí)到，并因其豐富而獨(dú)特的物理性質(zhì)在廣泛領(lǐng)域的潛在實(shí)際應(yīng)用中引起了廣泛的研究。自那時(shí)以來(lái)，發(fā)現(xiàn)和研究了許多新的二維材料，如石墨炔、磷烯、硅烯、六方氮化硼（h-BN）、過(guò)渡金屬硫化物、二維過(guò)渡金屬碳化物和氮化物、金屬有機(jī)框架等。研究了這些二維系統(tǒng)的力學(xué)、熱力學(xué)、電子、光學(xué)和磁性等性質(zhì)。特別是對(duì)于二維系統(tǒng)的電子輸運(yùn)性質(zhì)的探索引起了許多研究人員的重視，因?yàn)檫@些信息可以為我們提供從二維材料中找到和改進(jìn)新的更好候選材料的機(jī)會(huì)，以用于微電子工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。

然而，盡管金元素是現(xiàn)代電子工業(yè)中最重要的材料之一，但目前對(duì)金團(tuán)簇平面結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)研究非常有限。了解這些金團(tuán)簇的平面結(jié)構(gòu)機(jī)制對(duì)我們來(lái)說(shuō)應(yīng)該是一個(gè)誘人的課題。基于此，本課題擬對(duì)具有二維結(jié)構(gòu)的金納米團(tuán)簇的輸運(yùn)性質(zhì)展開(kāi)研究。

02成果簡(jiǎn)介

課題立項(xiàng)以來(lái)，按照課題設(shè)立的方向搜集了與課題相關(guān)的最新的納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)以及輸運(yùn)方面的研究文獻(xiàn)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，確定了8和9原子金團(tuán)簇的二維平面結(jié)構(gòu)，再根據(jù)三明治模型要求，選擇合適的電極，由左右電極和金原子團(tuán)簇構(gòu)成了不同的電子輸運(yùn)系統(tǒng)，某些典型系統(tǒng)如fig.1所示，利用鴻之微Nanodcal軟件的弛豫功能將電極不同距離下的團(tuán)簇進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的總能量，確定了電極距離與系統(tǒng)總能量的關(guān)系圖像。而后，通過(guò)使用量子輸運(yùn)模擬，計(jì)算了不同電極距離下態(tài)密度、透射系數(shù)、I-V特性等，分析了其輸運(yùn)性質(zhì)和機(jī)制，得到如下結(jié)果。

Fig.1The two-probe geometry of the Au8and Au9cluster connected with two atomic scale gold metallic electrodes

Fig.2Current–voltage curves of the Au8system for the distances from 12.33angstrom to 13.93angstrom

03圖文導(dǎo)讀

( 1 ) 從新的角度對(duì)Au8系統(tǒng)負(fù)微分現(xiàn)象進(jìn)行了解釋

利用nanodcal輸運(yùn)計(jì)算功能，計(jì)算了Au8系統(tǒng)的I-V曲線，如fig.2所示。另外還計(jì)算了團(tuán)簇上各個(gè)原子所具有的電荷數(shù)目，如fig.3所示。

Fig.3The number of electrons of the atoms in Au8. The left column corresponds to the atoms labeled by A, B, C, D and E in fig.1, respectively. The right column corresponds to the rest atoms.

很明顯，在圖2中，電流隨電壓的變化可以分為三個(gè)階段。第一階段對(duì)應(yīng)的電壓范圍是從0V到0.6V，在這個(gè)范圍內(nèi)，隨著電壓增加，電流幾乎呈線性增長(zhǎng)。電流與電壓的關(guān)系符合歐姆定律。在第二階段，隨著電壓的增加，電流減小，即出現(xiàn)了負(fù)差分電阻效應(yīng)（NDR）。當(dāng)電壓大于約0.9V時(shí)，電流隨著電壓的增加發(fā)生振蕩，這是第三階段。在這個(gè)階段，負(fù)差分電阻效應(yīng)會(huì)多次發(fā)生。

不同的距離導(dǎo)致不同的傳輸行為。與相同的電壓相對(duì)應(yīng)，圖2顯示，隨著引線距離的增加，電流變得越來(lái)越小。當(dāng)距離足夠大時(shí)，例如，當(dāng)距離為13.43或13.93埃時(shí)，在電壓小于0.9V的情況下，電流可以近似為零。然而，當(dāng)電壓大于0.9時(shí)，電流顯著增加。這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象，并且在電子開(kāi)關(guān)設(shè)備中具有很大的應(yīng)用潛力。

負(fù)差分電阻效應(yīng)（NDR）是一種有趣的現(xiàn)象，具有許多應(yīng)用，例如高速開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)器和放大器。以前，這種重要的行為主要是通過(guò)在不同外部偏置下的非平衡傳輸來(lái)解釋的。在這里，通過(guò)計(jì)算中心散射區(qū)域原子的電子數(shù)來(lái)解釋這種效應(yīng)的一個(gè)新方面的解釋被提出。將Au8簇中的原子的電子數(shù)計(jì)算在0V到0.8V范圍內(nèi)，并顯示在圖3中。顯然，電子數(shù)隨著電壓的增加而變化。從0V到0.8V，不同原子的大部分電子數(shù)都保持其原始趨勢(shì)。然而，在0.6V處，靠近右電極的原子改變了其趨勢(shì)。其中，A、C和D原子從下降趨勢(shì)中在0.6V處出現(xiàn)上升。盡管B原子始終保持從0V到0.8V的上升趨勢(shì)，但在0.6V處增加得很快。電子數(shù)的增加意味著負(fù)電荷的增加。在計(jì)算中，右電極被設(shè)定為正電極。負(fù)電荷的增加意味著電流受阻。因此，形成了負(fù)差分電阻效應(yīng)。

（2）Au9的垂直取向的輸運(yùn)及電壓對(duì)輸運(yùn)行為的影響

在圖4中，以垂直取向連接到電極的Au9的雙探針系統(tǒng)的電流-電壓曲線（如圖1中間所示）作為變化距離的函數(shù)給出，電壓偏置范圍為0V到2V。從0V到0.6V，電流隨電壓增加而單調(diào)上升。從0.6V到0.8V，再次觀察到負(fù)差分電阻效應(yīng)。然后，大多數(shù)曲線在0.9V電壓以上單調(diào)上升。

通過(guò)分析圖4中的曲線，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象。當(dāng)偏置電壓小于0.9V時(shí)，右電極和左電極之間的較小距離對(duì)應(yīng)于相同電壓下較大的電流。這個(gè)結(jié)果符合通常的預(yù)期。畢竟，距離更近通常會(huì)導(dǎo)致耦合更強(qiáng)，有利于電流的增加。然而，當(dāng)偏置電壓等于或大于0.9V時(shí)，較大的距離對(duì)應(yīng)于相同電壓下較小的電流。這意味著僅通過(guò)外部電壓而不改變團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和取向，就可以改變系統(tǒng)的原始輸運(yùn)特性。這個(gè)事實(shí)意味著外部電壓改變了原子間的相互耦合，并且在一定范圍內(nèi)隨著原子間距的增加而增強(qiáng)。電壓和電極距離都可以影響傳輸系統(tǒng)中的電子態(tài)。如果電壓或者電極距離發(fā)生改變，整個(gè)量子傳輸系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，可能導(dǎo)致共振態(tài)、能級(jí)和傳輸特性與原始狀態(tài)不同的差異。這種現(xiàn)象可以被認(rèn)為是電壓和電極距離的綜合影響下的可能結(jié)果。

Fig.4 Current–voltage curves of the Au9system with thevertical orientationfor the distances from 8.816angstrom to 9.716angstrom. To clearly show the curves, a local enlarged portion of the curves is drawn in the inset.

（3）Au9的平行取向的輸運(yùn)特點(diǎn)：對(duì)導(dǎo)體-電極距離不敏感性

在圖5中，以平行取向連接到電極的Au9的電流-電壓曲線（如圖1下部所示）作為變化距離的函數(shù)給出，電壓偏置范圍為-2V到2V?？梢钥吹?，曲線可以分為兩種類(lèi)型。從-0.6V到0.6V，-2V到-0.9V之間，曲線幾乎是直線，表示電流隨電壓線性變化。電流與電壓的關(guān)系符合歐姆定律。從-1V到-0.6V、0.6V到1V、1.7V到2V，曲線隨電壓增加而減小，表明發(fā)生了負(fù)差分電阻效應(yīng)。

圖5中的計(jì)算曲線明顯幾乎重疊在一起，表明這些曲線對(duì)于導(dǎo)體-電極距離不敏感。這意味著輸運(yùn)特性對(duì)于團(tuán)簇和電極之間的距離不敏感。從圖5中也可以看出，盡管導(dǎo)體-電極距離從8.816埃增加到9.716埃，負(fù)差分電阻效應(yīng)仍未消失，盡管曲線沒(méi)有重疊。這些事實(shí)表明，具有這些配置（如圖1中間和下部所示）的輸運(yùn)特性在距離變化時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。這對(duì)于未來(lái)的技術(shù)應(yīng)用非常重要。畢竟，穩(wěn)定性是電子設(shè)備的重要要求之一。

眾所周知，金屬鍵沒(méi)有方向性。改變正離子之間的相對(duì)位置不會(huì)破壞電子與正離子之間的結(jié)合，所以金屬具有良好的延展性和可塑性。根據(jù)Giuseppe Zanti的工作，對(duì)于小的金團(tuán)簇，金原子之間的化學(xué)鍵具有方向性，金屬鍵可以忽略不計(jì)。然而，隨著團(tuán)簇大小的增加，金屬鍵的作用將變得越來(lái)越重要。當(dāng)團(tuán)簇與電極的取向適當(dāng)時(shí)，金原子之間的結(jié)合方向性將變?nèi)酢Ｒ苿?dòng)金原子的位置可能對(duì)團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的干擾。

Fig.5 The transport of Au9with theparallel orientationand the effect of the voltage on the transport behavior

04小結(jié)???

本工作，利用非平衡格林函數(shù)方法結(jié)合密度泛函理論，研究了八個(gè)和九個(gè)金原子之間的金團(tuán)簇在金電極之間的輸運(yùn)特性。在Au8和Au9中都發(fā)現(xiàn)了負(fù)差分電阻效應(yīng)。從一個(gè)新的角度，通過(guò)計(jì)算在不同偏置電壓下團(tuán)簇中原子的電子數(shù)，探究了負(fù)差分電阻效應(yīng)的機(jī)制。當(dāng)Au9垂直取向時(shí)，發(fā)現(xiàn)電壓可以改變夾層系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度。當(dāng)電壓較小時(shí)，電流隨著團(tuán)簇-電極距離的減小而增加。但當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)，電流隨著團(tuán)簇-電極距離的減小而減小。當(dāng)Au9平行取向時(shí)，與其他電子輸運(yùn)系統(tǒng)不同，發(fā)現(xiàn)Au9的輸運(yùn)行為對(duì)團(tuán)簇-電極距離不敏感，表明該配置在距離變化時(shí)具有更好的輸運(yùn)穩(wěn)定性，這為未來(lái)電子器件的開(kāi)發(fā)提供了一些新的線索。

審核編輯：劉清