下载文档原格式
物理学领域研究进展分子动力学/等离激元一、分子动力学模拟所谓分子动力学模拟，是指对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程，九从而计算系统的结构和性质，其中每一原子核被视为在全部其它原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动．1957年， Alder和Wainwright首先在硬球模型下，采用分子动力学研究气体和液体的状态方程，从而开创了利用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例．后来，人们对这一方法作了许多改进，并运用它对f酣体及其缺陷以及液体作了大量的研究．但由于受计算机速度及内存的限制，早期模拟的空间尺度和时间尺度都受到很大限制．21世纪80年代后期，由于计算机技术的飞速发展，加上多体势函数的提出与发展，为分子动力学模拟技术注入了新的活力．分子动力学模拟不仅能得到原子的运动细节，还能像做实验一样进行各种观察．对于平衡系统，可以用分子动力学模拟作适当的时间平均来计算一个物理量的统计平均值．对于非平衡系统，发生在一个分子动力学观察时间内(一般为(1—100)ps)的物理现象也可以用分子动力学计算进行直接模拟．特别是许多在实际实验中无法获得的微观细节，而在分子动力学模拟中都可以方便地观察到．这种优点使分子动力学存物理、化学、材料科学等领域研究中显得非常有吸引力[1-4]。
现在每年发表的关于分子动力学模拟有关的文献达千篇．分子动力学模拟虽然不如第一原理模拟精确，但以程序简单，计算量小，可计算的原子体系大大超过第一原理等方法，而保持有巨大的发展和应用前景[5,6]。
对于非平衡系统，其分子动力学模拟的过程包括初始条件和边界条件的确定、牛顿方程的有限差分求解和作为时间函数的感兴趣量的提取．对于平衡系统，其分子动力学模拟的过程与非平衡系统的差别在于感兴趣量及边界条件与时间无关。
分子动力学模拟的初始条件：系统的初始位形和初始速度可以通过实验数据，或理论模型，或两者的结合来决定．如果被模拟的系统具有初始密度分布n(r)和温度分布T(r)，而没有固定的晶格结构，则每个原子的位簧可以从初始密度分布n(r)，用舍选法或Metropolis等方法得到．每个原予的初速度，则可以从初始温度分布T(r)下的Maxwell-Boltzmann分布来随机选取．Maxwell-Boltzmann 分布可以用。
单分子磁体与分子自旋电子材料Single-Molecule Magnets and Materials of MolecularSpintronics姜国民陈婷婷史传国江国庆*石玉军*南通大学化学化工学院摘要：近年来，自旋电子和分子电子两个新颖学科在电子学研究中取得了革命性的进展。
这两个领域的基础桥梁是分子磁材料，尤其是单分子磁体。
分子自旋电子是在分子水平上对电子自旋和电荷进行研究，电子装置中包括一个或多个磁性分子，如分子自旋晶体管、分子自旋电子管和分子多量子点装置等。
建立在分子水平上的自旋电子磁材料，在信息储存和量子计算等方面上具有潜在的应用价值。
本文结合自己在这方面的研究和理解，介绍了作为磁性分子的单分子磁体在自旋电子器件研究中的最新成果。
关键词:自旋电子单分子磁体磁性质1、引言在基础和应用研究中，电子和自旋自由度的研究和开发是很有前途的领域[1]。
近十年来，自旋电子学科从基础物理到技术装置已经有了很大的进展[2]。
人们开拓了自旋电子体系这样的事实：电流是由向上和向下两个方向的电子流动产生的，电子的自旋状态实现了信息的编码和磁性材料之间的不同作用。
在没有外场和低能量的条件下，通过自旋的持久性进行信息编码的优势很小。
新的努力方向是直接得到具有持久的量子相干自旋电子装置，这一装置已经从金属、半导体[2,3]到有机材料[4]方面进行了基础研究。
后者在实际中得到了应用，如有机光放射二极管和有机晶体管的研制使电子装置达到了分子水平[5]。
分子自旋电子是用一个或几个磁性分子建立的分子装置[6]。
作为磁性分子的单分子磁体在低温时磁化强度的弛豫时间非常长（2K以下，达到数年时间[7]）。
其在高密度信息储存和量子计算方面的优势在于，在分子水平上兼有块状磁材料的性质和长相干时间[8]。
建立在磁学行为的单分子磁体具有丰富的物理效应，如负微分电导特性和完全的电流抑制[9]，这些性质可用在电极上。
此外，还可将一些特殊的功能（如作为光和电场的开关等）直接整合到分子水平上。
单分子电子器件的理论研究1理论研究背景近年来，单分子电子器件的研究受到了越来越多的关注，它可以用来设计出新型及先进的电子电路。
单分子电子器件具有较高的效率和调制深度，可以实现更高的分辨率检测及更长时间的记录功能。
基于此，单分子电子器件可以提供新型的信息处理技术和电子材料，并实现前所未有的控制能力、运行稳定性以及信息交换速率。
因此，开展单分子电子器件的理论研究就显得十分重要，可以为该领域技术发展提供新的灵感和思路，进而有助于为未来实现更大规模及更高精度的电子电路。
2研究内容单分子电子器件的理论研究主要包括单分子电子器件的原子结构建模、性能预测、阈值响应分析以及电子的热物性等几个方面。
首先，研究者可以基于原子结构来进行全量子及量子力学分析，以了解单分子电子器件的原子结构，其次，研究者可以基于建模的原子结构来模拟性能，以预测电子器件的效率、动态响应特性以及热物性等。
此外，研究者还可以进一步基于性能预测模拟去探索单分子电子器件的阈值响应特性，以便于更好地控制器件的运行。
最后，研究者还可以基于热力学的原理来实现有效的单分子电子器件信息传输，以提高系统的抗干扰性能。
3研究进展近年来，随着半导体技术和原子结构建模技术的迅速发展，越来越多的研究者开始进行单分子电子器件的理论研究，研究成果令人鼓舞。
比如，研究者发表了研究单分子电子器件功能性特性及电子转移机制的文章；此外，研究者还发表了一篇关于单分子电子器件热物性研究的文章，阐述了该技术的发展历程，揭示了不同温度对电子传输的影响机制；还有，研究者发展出一种材料设计方法，用于调节传输模式，并应用于超低功耗器件，实现电压控制和转换功能；最后，一些研究者利用机器学习方法来优化单分子电子器件的设计，提高其能量效率，并实现对电子结构的可控性和可编程性。
4进一步研究发展当前，单分子电子器件的理论研究正在受到非常热心的关注，但仍然存在许多不足。
未来，研究者仍可针对单分子电子器件的原子结构建模、性能预测以及阈值响应分析等方面开展更多的理论研究，以推动该技术的发展。
单分子电子学的研究进展单分子电子学是物理学、化学学科交叉领域的一个重要分支。
它研究单分子在电极表面的电子输运特性，主要包括单电子传输、Coulomb阻挫效应、电子与振动的相互作用等。
这些研究对于现代信息技术的发展、纳米电子学的发展和现代能源的应用都有着重要的意义。
本文将就单分子电子学的研究进展做一简要介绍。
一、单电子传输作为单分子电子学的基础部分，单电子传输一直是该领域的研究重点。
最近的研究表明，单电子传输是受分子自旋态影响的。
在一些配位化合物中，它们的自旋态可以在分子内部进行相互作用，进而影响到它们在电极表面上的电子传输特性。
另外，基于单电子传输的电荷转移现象，科学家们提出了一个有趣的理论：在配位化合物中，伴随着电荷转移，它们的自旋态可以发生改变。
然而这个理论并没有得到实验验证，尚需更多的研究来证实这个理论的正确性。
二、Coulomb阻挫效应Coulomb阻挫效应也是单分子电子学中经常被研究的一个问题。
考虑一个单分子在电极表面上的电子传输过程中，电荷之间的Coulomb相互作用会引起电子的弹性散射，因此进一步影响它们的传输性质。
最近的研究表明，基于Coulomb阻挫效应的研究可以促进纳米电子学的发展。
科学家们提出的“电子排斥阵列”理论可以在纳米电子学中应用。
这个理论认为分子内部的电子排斥力可以被利用来控制电子传输和分子结构。
进一步，研究这个理论不仅有助于我们对于纳米电子学的理解，还有助于我们设计新型的分子电子元器件。
三、电子与振动的相互作用电子与振动的相互作用是单分子电子学中的另一个重要问题。
它们之间的相互作用不仅会影响到电子传输的性质，而且还有助于我们分析分子中的内在结构和动力学特性。
最近的研究表明，电子与振动的相互作用对于分子内部的电控制特性有着重要的意义。
科学家们研究了在配位化合物中不同的振动模式对于电子传输的影响，发现它们可以通过电控制来调节分子的振动，进而影响到分子的电子传输性质。
总结总之，单分子电子学的研究进展在很大程度上促进了现代科学技术的发展。
分子电子学与分子器件ppt xx年xx月xx日CATALOGUE目录•分子电子学概述•分子电子器件的基本概念及分类•分子电子器件的研究方法•分子电子器件的研究现状及进展•分子电子器件研究中存在的问题与挑战•分子电子学研究的前景展望01分子电子学概述分子电子学是一门新兴的交叉学科，它利用分子和分子集合体作为信息处理的基本单元，实现电子和电力的传输、存储和处理等功能。
分子电子学定义分子电子学主要研究分子尺度上电子输运、电子结构与性质、分子与基底相互作用等。
研究内容分子电子学定义及研究内容起源及早期发展分子电子学起源于20世纪70年代，随着扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等实验技术的发展，科学家们开始在分子水平上探索电子输运和电子结构。
近年来的快速发展近年来，随着新材料、新技术的不断涌现，分子电子学得到了快速发展，并成为信息科学和生命科学等领域的重要研究方向。
分子电子学发展状况与物理学分子电子学与物理学密切相关，它涉及到量子力学、固体物理、电磁学等多个领域。
分子电子学与化学相互交叉，涉及分子设计、合成和性质研究等方面。
分子电子学与生物学相互联系，涉及到生物分子的电子结构和性质，以及生物信息传递过程中的电子输运等问题。
分子电子学与材料科学密切相关，涉及新型材料的设计、制备和性能研究等方面。
分子电子学与其他学科的联系与化学与生物学与材料科学02分子电子器件的基本概念及分类分子电子器件定义分子电子学是研究如何利用和控制单个分子或分子聚集体的电子结构和性质的电学、电子学分支。
分子电子器件的基本概念分子电子器件是利用单个或多个分子的电子结构、能级、自旋等量子性质，实现特定功能和性能的电子器件。
分子电子器件定义与基本概念1分子电子器件的分类及特点23分子导体、分子磁体、分子场效应晶体管等。
按功能分类单分子器件、双分子器件、分子复合物器件等。
按结构分类体积小、重量轻、能耗低、性能高、并行性等。
分子电子器件的特点03生物医学应用利用分子电子器件制造生物传感器、药物传递系统、神经元接口等生物医学器件，为疾病诊断和治疗提供新手段。
有机电子学的研究进展与应用前景有机电子学是研究有机材料在电子学、光电学、传感器、能源等领域中的应用的学科，近年来在学术界和产业界受到广泛关注。
有机电子学的研究进展非常迅速，本文将简要介绍有机电子学的研究进展和应用前景。
一、研究进展1.材料的发展在有机电子学中，材料是起决定性作用的，研究人员一直致力于寻找性能更好的材料。
传统的有机半导体通常是小分子，但是受到它们的加工费用高昂以及性能不稳定等因素的限制，近年来焦点转向了高分子半导体的研究。
其中，聚合物材料具有较好的机械可塑性和稳定性，逐渐成为了有机电子学研究重点。
同时，利用新型化合物合成方法，如“click”反应、氧化物还原与互化、金属催化反应等方法，可以有效地合成出更好的材料。
2.器件性能的提升近年来，学术界和产业界的研究人员在有机电子学器件设计方面也取得了很大进展。
例如，有机薄膜晶体管在电性方面的性能提高得比较快。
同时，研究人员还将设计一些新型的器件，如基于有机/无机杂化结构的器件、有机发光二极管、薄膜太阳电池、柔性电子等等。
这些器件具有自身特殊的优劣势，研究人员也一直在寻找最优的器件性能。
3.学科交叉的发展随着技术的不断进步，有机电子学已经跨越了多个学科界限，与物理、化学、生物、材料科学、纳米科技等学科进行了很强的交叉。
例如，利用生物大分子和有机电子的相互作用形成复合物，可以制造出生物传感器；利用生物分子的神经递质、核酸等，构建出基于生命体系的有机电子器件，如生物燃料电池、生物发光二极管等，有机电子将为生命科学的进步提供重要支持；利用二维材料、光子晶体等材料与有机半导体薄膜的界面作用，提高器件性能等。
二、应用前景随着有机电子学的研究进展，其应用前景也变得越来越广泛。
下面将介绍有机电子学的一些潜在应用领域。
1.柔性电子柔性电子可以克服传统电子设备的沉重、脆弱和不灵活等问题，为新型设备提供了广阔空间。
有机电子材料因其可塑性和稳定性等特点，适合于制造柔性电子产品。
分子电子器件的研究进展一、分子电子器件背景介绍分子电子器件是由能完成光、电、离子、磁、热、机械和化学反应的分子和超分子组装排列而成的有序结构,是在分子或超分子层次上能完成信息和能量的检测、转换、传输、存储与处理等功能的化学及物理系统，简单他说,分子电子器件就是在分子水平上，尺寸在纳米量级，使用的材料有纳米线、纳米管、纳米颗粒、有机小分子、生物分子、DNA等，具有特定功能的超微型电子器件[1]。
传统的电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性, 且都是通过控制电子数量来实现信号处理的，随着集成度的提高, 功耗、速度、漏电都将成为严重的问题[2]。
分子器件主要利用电子的量子效应工作，在分子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的功能, 即分子器件不单纯通过控制电子数目的多少, 主要通过控制电子波动的相位来实现特定功能，所以与传统的从宏观到微观的微加工技术相反,分子电子学的研究主要是从微观到宏观的角度,对功能分子材料在分子尺寸范围内实现对分子电子运动的控制,包括功能分子的设计、合成,晶体生长,有序薄膜制备、结构、性能研究,特殊的物理化学现象和过程的研究,分子器件的组装以及相关科学问题的研究[1]。
分子电子学的基础研究主要包括分子材料的电子学(Molecular Material for Electronics,MME)和分子尺度的电子学(Molecular Scale Electronics,MSE)两个方面的相关内容。
基于分子材料的器件涉及到各种薄膜器件、单晶器件、自组装器件等，而分子尺度器件是目前国际科技界竞争最为激烈的几个领域之一,在分子尺寸上构筑电子器件,实现对单个分子或若干分子聚集体的光电子行为的控制,可以实现器件的高度微小化和集成,是下一代电子器件的奋斗目标，很显然,这方面的研究具有明显的科学意义和广阔的应用前景。
二、分子电子器件研究发展方向及进展分子器件有两种发展趋势,其一是将无机材料替换为有机材料,增强分子材料的柔性。
其二是更加注重单分子的特异性功能，力争实现超高性能器件。
构筑任何一个分子器件的基本思想是将少数几个分子,甚至单个分子镶嵌在两个电极之间,形成电极-分子-电极的纳米连接，其间连接的分子大多是有机分子，其电光特性是由分子结构本身而不是以后的工艺步骤决定的，且分子内不能含有金属，因为金属原子有表面徙动的特性,在纳米间距的条件下室温时即易形成横向短路，所以研究工作者应该对加工分子电子器件的综合因素进行全面考虑，这些因素包括: ①如何选择电极材料,也就是什么电极材料最适合测量分子的导电性; ②如何有效控制电极的几何构型; ③如何构建分子与电极之间的键合方式; ④如何控制位于纳米电极对间的所测量分子的数目[5]。
在综合全面考虑以上因素的基础上,可以得出这样的结论:解决这些问题最可靠的方法是在分子与具有分子尺寸的电极之间,在真正意义的分子尺寸上,制造一种具有有限分子键合位置的精细的牢固共价键连接。
现如今，超大规模集成电路的发展已逼近物理极限和工艺极限，而突破这种极限的出路之一是发展分子电子器件，最近几年，人们已经发现和利用了一些有机和无机导电聚合物、生物聚合物、电荷转移盐和有机金属等分子材料的物理化学性质及电子特性，研制出了用于信息处理的各种新型元件，例如分子导线、分子二极管、分子开关、分子存储器件、分子场效应晶体管以及分子计算机等[5]。
1、分子导线目前,人们研究的分子导线体系主要集中在如下4 类:①线型碳氢共轭低聚物分子体系；②卟啉低聚物分子体系；③碳纳米管体系；④DNA生物分子体系。
碳原子线是最简单的碳氢分子导线，碳原子线中所有的碳原子都采用sp杂化,因而具有交替的单三键结构[3]。
Gladysz等合成了长达20个碳原子的以手性Re为端基的碳原子线。
具有大π2共轭体系的卟啉环是构造分子导线的理想单元，Anderson以卟啉环为基本单元合成链状共轭结构。
Tsuda等报道了共轭的带状卟啉聚合物的合成和性能,其中的卟啉单元之间以3个单键相连,所有的卟啉环都处在同一平面上,紫外-可见-近红外光谱表明随着链长的增加体系失去1个电子的氧化势也随之降低,说明体系共轭程度增加，这些研究表明这种低聚物是有前景的分子导线。
碳纳米管在未来的分子电子器件与电路中的潜在应用近年来也受到了人们的广泛关注。
它可以被看作是一种由六角网状的石墨片卷成的具有螺旋周期的管状结构。
碳纳米管具有很好的电学性能和刚性结构,是一种理想的分子导线,通过改变管径大小和卷曲角可以调节它的导电性[4]。
DNA 分子以其独特的双螺旋结构和它在生物、生理学上的意义一直都是众多学科所关注的热点。
现在分子电子学家也逐渐认识到了DNA分子在构筑分子器件,尤其是生物分子计算机方面所具有的巨大价值，以往的研究关于DNA 分子的导电性及导电机理还存在一定的争论,在最近2 年以来,通过理论研究上的突破和运用更为复杂的实验技术,科学家们逐渐达成了一些共识,对于那些以往完全不相容的研究结果, 很可能具有各不相同的机理和原因，目前DNA作为分子导线的应用还在进一步的研究中。
2、分子二极管最初,人们对分子二极管的研究主要集中在Aviram和Ratner提出的模型分子体系。
由于研究分子的偶极较小,加上缺乏有效的实验手段一直没有取得大的进展。
随着Langmuir-Blodgett (LB) 膜、分子自组装( SA) 和扫描探针显微镜(SPM) 等技术的不断发展,人们对分子器件的研究得到了飞速发展,对分子二极管的研究也从原来的Aviram和Ratner模型分子体系拓展到其它共轭分子体系。
Dhiraai 等使用STM 研究了单巯基苯乙炔低聚物自组装在金和银上的单层膜,发现随着共轭链的增长,分子显示的整流作用也增强。
中科院化学所刘云圻等合成了一系列含有电子给体(-NH2)和电子受体(-NO2、-CN等) 的不对称酞菁,将它们组装为LB膜,并利用STM技术测量了它们的I-V 曲线,证实该类单酞菁分子也具有整流特性。
最近芝加哥大学俞陆平等合成了一类新型的二极管分子,这种分子由富电子的噻吩(C4S)和电子的噻唑(C3NS)2部分组成，他们成功地将这种分子通过巯基自组装在2 个金电极之间,并利用STM方法证明了这种整流行为确实来源于分子的自身特性,而不是因为分子与电极的不对称耦合或分子电极界面因素引起的[7]。
尽管大量实验已经证实了分子的整流特性,但目前人们对分子的整流机理仍不是很清楚,最近的研究表明Ranter最初提出的分子整流模型(A-R model)过于粗略,在一些情况下并不能用来解释分子的整流特性，因此如何在分子层次上认识并把握分子的整流特性和机理是极其重要的。
3、分子开关及分子存储器件开关是电子器件的基础控制元件,也是分子存储和逻辑器件的重要组成部分。
轮烷(Rotaxanes)和索烃(Cate-nanes)是目前人们研究得较多的2类双稳态分子。
轮烷由1个环状的部分和1个棒状的部分组成,环可以以棒为轴进行旋转或沿棒的方向滑动,棒的两端带有位阻较大的基团可以阻止环的脱落。
若在棒上引入2个不同的位点,当环停留于这2个不同的位点时,就对应了2 种不同的状态。
电化学或化学环境诱导的轮烷分子开关早已报道，索烃由2个套在一起的环组成,2个环之间可以发生转动。
在索烃中的1个环上引入不同的位点,同样可以构成双稳态分子开关[3]。
研究分子存储器件的目标是在很小的面积上采用各种加工方法来制作高密度的存储器件，在分子水平上的电子学存储应该是通过双稳态或多稳态分子来实现。
这种材料在电场下,可以从原来的绝缘态直接跃迁为导电态,相当于计算机存储器件中的“0”、“1”2 种状态。
Reed 等利用自组装技术,用苯乙炔低聚物分子组装成可擦写的分子存储器，因为在分子中部的苯环上引入-NO2和-NH22种功能基团,它们分别位于苯环的两边,并指向分子外部,这种不对称的结构使得分子的电子云极容易受干扰,因而在外电场作用下其分子的扭曲变形非常敏感。
当对这个分子施加电压时,分子发生扭曲阻碍电流的流通，当撤去电压后,分子变回原形,电流可以继续通过，这个存储器是靠存储高、低电导状态来运行的,其比特保留时间能大于15min 。
4、分子场效应晶体管随着器件尺寸的减小,基本的放大单元将由三极晶体管变为三极单电子管(SET)。
SET的工作原理是量子隧穿,主要是金属-绝缘体-金属间的隧穿效应。
当金属电极的势垒足够窄时,费米能级上的电子就能够隧穿通过绝缘层,形成隧穿电流[2]。
在分子场效应管的发展过程中,人们最初利用碳纳米管(CNT)获得了突破,制成了由单个碳纳米管构成的场效应管。
随着纳米技术的发展,人们又制成了由单个C60分子构成的场效应管。
除了CNT和C60外,最近几年其它材料的研究也取得了很大进展。
Park 等将1个中心离子为Co的配合物分子连接在2个金电极之间构成场效应管。
实验结果表明随着栅压的改变,可以很好地调控源极与漏极之间的电流;此外,电流-电压曲线不是传统的平滑曲线,而是台阶状的, 呈现出载流子传输的量子特性。
Robert等提出并设计了一种全新概念的单分子场效应晶体管,在这种分子场效应晶体管中,电子的传递行为是通过分子附近的某个单原子荷电来调控的,通过改变分子附近某个单个原子的荷电状态可以控制分子电流导通或断开。
以往的分子场效应管实验中为了测量分子电导的变化,必须在紧接绝对零度的条件下进行 ,而这种全新概念的分子晶体管的场效应在室温下即可观察到;这种全新概念的分子场效应晶体管的另一个特点是仅需要来自原子上的1个电子就可以实现分子的导通或断开,而传统的场效应管要实现这种开关则需要上百万个电子。
5、分子计算机分子计算机就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理，分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息,并以更有效的方式进行组织排列，凭借着分子纳米级的尺寸,分子计算机的体积将剧减。
此外,分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据，能够利用生物分子——特别是蛋白质分子的一些特性来建造计算机组体制改革,它将比任何电子装置更小、更快、功能更强。
计算机芯片由开关阵列组成,随着通过它们的电压变化而在两种状态0与1之间倒转。
有两种状态的生物分子很多,如现在研究得最多的细菌视紫红蛋白,它可被光激活发生构象变化,代表0、1两种状态,氨基酸分子也有D、L态,我们的相变研究如果能控制D、L态转化,就可以使氨基酸分子成为未来分子计算机的开关。
生物分子具有吸引力还在于它们能够一次加进一个原子基团,如D-Ala、Dal 两种氨基酸就具有类似特性。
许多计算机科学家相信,如果以生物分子作为神经网络,制造人工智能的相联储存器是有希望的。
惠普的一群研究人员公布了他们的一项最新研究成果——一种分子量级的晶体管替代品，这种技术,为新一代超小型电子设备的出现奠定了坚实基础。
