[发明专利]一种通过表面应变控制自组装金属有机界面分子开关转变的方法

说明书

本发明公开了一种通过表面应变控制自组装金属有机界面分子开关转变的方法。包括：将吡嗪分子吸附于Cu(111)表面，获得稳定的物理吸附态和化学吸附态自组装结构；计算吡嗪分子在Cu(111)表面的吸附势能曲线，获得开关转变能垒；通过改变构建晶胞的尺寸，对Cu(111)表面分别施加拉应变和压应变，改变吡嗪分子在Cu(111)表面的物理吸附态和化学吸附态的相对稳定性；筛选出能够驱动吡嗪分子在物理吸附态和化学吸附态间发生转变的应变，并采用该应变实现对自组装分子开关转变的操控。本发明通过在表面施加应变的方法，能够无差别地改变金属表面上所有分子与衬底的交互作用，可以诱导金属表面所有分子在化学吸附态和物理吸附态间发生精准、可控、可逆的转变。

技术领域

本发明涉及分子器件领域，特别是一种通过表面应变控制自组装金属有机界面分子开关转变的方法。

背景技术

器件微型化是国际信息和材料领域研究的热点，以美国为代表的发达国家将新型逻辑存储器件的设计放在了战略高度。IBM公司指出，分子开关技术是现阶段存储器件微型化最为可行的途径之一，有望取代当今的硅芯片技术，制造出超微型处理器。但目前设计的单分子开关暴露出低重复性和低稳定性等问题。因此，设计一系列高性能的自组装分子开关是应对器件微型化瓶颈的必由之路。

金属表面和有机分子耦合形成的界面具有丰富的物理和化学性质，分子在金属表面能够自发地生长，形成规则的自组装结构，因而金属有机界面体系在自组装分子开关的设计方面有着巨大的研究潜力。界面的交互作用复杂，包括共价键、泡利排斥力、范德华力以及氢键等，所形成的界面结构对材料的电学、光学和输运性质起到决定性作用，如何实现自组装体系中多个分子的可控转变成为设计自组装分子开关的重要前提。本发明采用第一性原理的方法，研究了应变对自组装金属有机界面结构和稳定性的调控，实现了金属表面上所有分子状态的精准可控转变。

文献Nat.Nanotechnol.3,649-653(2008)讲述了利用电场诱导多个偶氮苯分子在Au(111)表面一定区域内实现转变，但是，分子在电场刺激下的转变能力依赖于在Au(111)表面的吸附位置，这导致表面所有分子无法实现统一的状态转变，在实际应用中会产生噪音信号。在另一工作Nano Lett.16,93-97(2016)中，通过注入载流子，可同时控制吸附在铜表面一定区域内的双噻吩蒽分子的开关状态，分子转变不依赖吸附位置，但是，分子状态的转变成功率随着分子与刺激源距离的增大而迅速衰减，当分子距离刺激源较远时，分子难以实现可控的开关转变。因此，当前用于自组装分子开关转变的电场和载流子注入等技术手段均具有一定的局限性。

发明内容

针对现有分子开关技术无法有效控制多个分子实现精准转变，本发明以表面应变为驱动力，实现金属表面上多分子的准确、可控、可逆的转变，提供一种通过表面应变控制自组装金属有机界面分子开关转变的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种通过表面应变控制自组装金属有机界面分子开关转变的方法，至少包括以下步骤：

(1)从铜体相中得到纯净的的Cu(111)表面，并构建3×3×1的Cu(111)表面，对其结构进行优化；

(2)构建出吡嗪分子在Cu(111)表面不同位置的初始吸附构型，并进行结构优化，获得稳定的物理吸附态和化学吸附态自组装结构，计算吡嗪分子在Cu(111)表面的吸附势能曲线，获得开关转变能垒；

(3)通过改变构建晶胞的尺寸，对Cu(111)表面分别施加拉应变和压应变，改变吡嗪分子在Cu(111)表面的物理吸附态和化学吸附态的相对稳定性，并建立应变大小与吡嗪分子物理吸附能和化学吸附能的数值关系；

(4)计算不同应变下吡嗪分子在Cu(111)表面的吸附势能曲线，筛选出能够驱动吡嗪分子在物理吸附态和化学吸附态间发生转变的应变，并采用筛选出的应变实现对自组装分子开关转变的操控，得到应变控制的自组装分子开关。