单分子电子学的理论原理：化学与介观视角

近年来，探索将单个分子用作电子器件中的活性元件一直是纳米电子学研究的前沿。与半导体微电子学相比，对单分子器件中的输运进行建模要困难得多，因为必须在微观层面纳入器件电子结构及其与外部接触界面的影响。因此，该问题的理论表述需要将表面科学、电子结构理论、量子输运和器件建模的知识基础整合到一个从第一性原理出发的统一框架中。在本文中，我们介绍了用于模拟单分子电子学的理论框架，并提出了一个简单的概念性图像来解释数值计算的结果。我们使用自洽矩阵格林函数方法对器件进行建模，该方法结合了量子输运的非平衡格林函数理论与器件电子结构的原子尺度描述。我们将单分子器件视为由化学上定义明确的原子基团组成的“异质结构”，并根据这些原子基团对金属-分子耦合和外加偏压引起的扰动的电荷和电势响应来分析器件特性。我们以通过硫端原子将不同尺寸和内部结构的苯基分子连接到金电极上形成的器件为例，展示了这种方法的强大功能。