卟啉和石墨炔基轮轴结构化合物光电性质的研究
轮轴结构化合物作为一种新型的一维(1D)材料，由于其独特的拓扑结构，在电子学和光学领域有着广泛的应用，已成为国内外研究的热点。之前对轮轴化合物的研究主要集中在由不同类型的分子轮和轴组成的轮烷上，利用卟啉和石墨炔作为轮子，1D过渡金属-苯形成的叠层纳米线作为轴的轮轴化合物还未见报道。卟啉和石墨炔具有良好的光电性能，1D过渡金属-苯纳米线具有优异的自旋极化输运特性，将两者结合起来形成轮轴结构化合物必将带来新颖的电学和光学性质。 本论文的研究内容如下： 一、设计了一种新型的轮轴结构(c-P6)k@Fem(Bz)n，其中(c-P6)为6个卟啉基段组成的轮，(FeBz)n为1D铁苯多层复合物组成的轴，并采用密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)的方法，对其电子结构、输运性能和线性光响应进行了研究。(c-P6)k@Fem(Bz)n表现出自旋极化输运特性。(c-P6)k@Fem(Bz)n的自旋滤波效率(SFE)几乎可以达到100％，这表明它是自旋过滤器的一个很好的候选者。此外，(c-P6)k@Fem(Bz)n具有明显的负微分电阻(NDR)特性，可用于制造电子开关和振荡器。在线性光照射下，(c-P6)k@Fem(Bz)n的轮和轴均表现出明显的偏振光响应特性。在所考虑的光子能量范围内观察到一个开关效应，显示了其在光开关领域的潜在应用。所有这些独特的性质使(c-P6)k@Fem(Bz)n成为新的一维材料对电子和光电器件有特别的吸引力。 二、设计了两种轮轴结构化合物(GY)k@Fem(Bz)n和(NDGY)k@Fem(Bz)n，其中GY、NDGY和Fem(Bz)n分别为石墨炔、氮掺杂石墨炔形成的轮和1D铁苯纳米线形成的轴。采用DFT、NEGF和Keldysh非平衡态格林函数(KNEGF)方法，对其电子结构、输运性能和线性光响应进行了理论研究。在0.0~1.0V的偏压范围内，(GY)k@Fem(Bz)n和(NDGY)k@Fem(Bz)n均表现出自旋极化输运特性，且多数自旋态作为主要输运路径。(GY)k@Fem(Bz)n和(NDGY)k@Fem(Bz)n的SFE几乎达到100%，是不错的自旋滤波器的候选材料。通过计算发现，对于(GY)k@Fem(Bz)n来说，在0.6V的偏压下，出现了NDR现象；对于(NDGY)k@Fem(Bz)n来说，在0.8V的偏压下，出现了NDR现象。这说明(GY)k@Fem(Bz)n和(NDGY)k@Fem(Bz)n在电子振荡器、电子开关和自旋开关等领域有良好的应用前景。当施加光照时，(GY)k@Fem(Bz)n和(NDGY)k@Fem(Bz)n的轴和轮均表现出明显的偏振光响应特性，且多数自旋态比少数自旋态具有更强的光响应。此外，在所考虑的光子能量范围内，无论照射(GY)k@Fem(Bz)n和(NDGY)k@Fem(Bz)n的轴段还是轮段，均能观察到光电开关。 三、设计了两种轮轴结构化合物(GY)k@Vm(Bz)n和(NDGY)k@Vm(Bz)n，其中GY、NDGY和Vm(Bz)n分别为石墨炔、氮掺杂石墨炔形成的轮和1D钒苯纳米线形成的轴。采用DFT、NEGF和KNEGF方法，对其电子结构、输运性质和线性光响应进行了理论研究。在0.0~1.0V范围内，(GY)k@Vm(Bz)n和(NDGY)k@Vm(Bz)n(除了在0.5和0.6V的偏置电压下)表现出自旋极化输运特性，且少数自旋态作为主要输运路径。(GY)k@Vm(Bz)n和(NDGY)k@Vm(Bz)n的SFE分别为100%和80%，可以作为自旋滤波器的候选材料。计算结果表明，在0.5和0.6V的偏置电压下，(NDGY)k@Vm(Bz)n的多数自旋通道打开，发现了非极化的输运特性和NDR行为。当施加光照时，(GY)k@Vm(Bz)n和(NDGY)k@Vm(Bz)n的轴和轮均表现出明显的偏振光响应特性，且少数自旋态比多数自旋态具有更强的光响应。此外，在所考虑的光子能量范围内，无论照射(GY)k@Vm(Bz)n和(NDGY)k@Vm(Bz)n的轴段还是轮段，均未观察到光电开关，且光响应值随光子能量的增大而增大。(GY)k@Vm(Bz)n和(NDGY)k@Vm(Bz)n的这些优良的性质为探索新的轮轴结构提供了线索，在电子和光电子设备上有良好的应用价值。 四、设计一系列具有不同弯曲程度的弯曲结构(1~8，从最大弯曲度到最小)，利用量子化学方法研究了弯曲效应对线性卟啉低聚物电学性质和非线性光学响应(NLO)的影响。线性卟啉低聚物的HOMO?LUMO能隙(Egap)在形成弯曲结构后变小，且Egap的值和轨道分布与弯曲程度无关。在电子吸收光谱中，最大吸收主要来自S0→S1/S0→S2跃迁，且具有局部激发特性。NLO响应随弯曲度的减小呈现先增大后减小的趋势，所以较大的NLO响应来自于5和6。从双能级模型来看，跃迁能5和6较小，结合随着基态与关键激发态偶极矩差的逐渐增大、振子强度逐渐降低的结果来看，中等弯曲程度的弯曲结构的NLO响应较大。
一维材料;轮轴结构;卟啉;石墨炔;光电性质
哈尔滨理工大学
博士
材料物理与化学
张桂玲
2022
中文
TB383
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）