文獻回顧

這一節的內容主要是介紹一些這領域上的實驗以及理論計算。

1997 年 M.A.Reed 首次利用 Break Junction 的方法[2]，測量出單一 苯環分子的分子接面系統的電導。Break junction 的流程為先拉出

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一條細的金線，並將金線泡在溶有 benzene-1,4-dithiol 的

tetrahydrofuran(THF)溶劑中，利用這苯分子會有 self-assembled monolayer(SAM)的特性，在金線上面附著了一層

benzene-1,4-dithiol 的分子。之後利用儀器將金線慢慢的彎曲至斷 裂，再慢慢讓斷裂的兩邊靠近，使分子直接連接裂縫兩邊的金，單一 苯分子的分子接面系統就製做出來了。Break junction 的流程以及 實驗結果如圖 1。此實驗成功製作出單一分子接面系統，為此領域開 啟了一扇大門。

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圖. 1 製造單一苯環分子的分子接面系統的實驗流程以及測量出來此 系統的 I-V 特性[2]。

之後，在 2000 年 M. Di Ventra 和 N.D.Lang 利用第一原理的方 式模擬剛剛所提到的系統[36]，計算系統的 I-V 特性。模擬方式為將 電極用 Jellium model 近似，利用密度泛函理論(Density Functional Theory; DFT)加上局部密度近似(Local Density Approximation; LDA)

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去解 Lippmann Schwinger equation，解完之後可得到此系統的電子 波函數，並利用電子波函數去計算電流密度，所得到的結果如圖 2。

I-V 特性的結果與實驗對照差了約兩個數量級，但趨勢大致上相同。

再之後的實驗修正掉一些實驗誤差後，與此理論計算出來的結果只差 一個數量級。

圖. 2 M. Di Ventra 和 N. D. Lang 利用第一原理計算苯環系統的電 流和 Conductance 以及 Density of states(DOS) [36]。

2007 年 Pramod Reddy 利用 SPM 的方式量出了分子接面系統的 Seebeck 係數[33]，SPM 的實驗方式為先在一塊基板(此次實驗所使用 的基板為 Au)上長出分子(此次實驗為 BDT、DBDT、TBDT)，之後將 Scanning tunneling Microscope(STM) 的探針慢慢靠近基板，當長 在基板上的分子也附著在探針上，則此分子接面系統就完成了。他們 將探針包覆在一個擁有很大的熱容的物體以保持探針的溫度，加熱基

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板使得基板與探針之間有溫度差，然後測量此系統的 Seebeck 係數，

實驗裝置以及結果如圖 3、4。此實驗為第一個量測出單一分子接面 系統的 Seebeck 係數。

圖. 3 Pramod Reddy 量測分子接面系統的 Seebeck 係數的裝置圖以 及結果[31]。

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圖. 4 Pramod Reddy 量測分子接面系統的 Seebeck 係數的結果[31]。

接下來的兩篇論文因為其系統有些有趣的特性或結果，因此才會 進一步分別去計算那些系統的熱電性質。第一篇為 1998 年 N.D.Lang 他們模擬了在鋁電極間連接不同數目的碳原子鏈[34]，此系統的電導。

結果發現電導會隨著碳的個數有上下起伏的震動。結果如圖 5。他們 合理推測上下震動的原因為:每增加一個碳原子，會有兩個電子增加 到軌域上，而軌域因為有兩個方向的簡併，故一個軌域可填入

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四個電子，而增加碳原子只在軌域上增加兩個電子，造了軌域的 全滿或半滿隨著碳數的增加而改變，又電導在最上層的軌域為半滿 時會比較高，所以電導會隨著碳數的改變而有上下震動的趨勢。這篇 論文有趣的地方在電導會隨著碳數的增加而有上下震動的情形，我們 想進一步得知其 Seebeck 係數是否會隨著碳數的改變而有特殊的變 化。

圖. 5 N.D.Lang 計算碳鏈系統的結果[37]。

第二篇為 1997 年 N.D.Lang 模擬兩個連接一個鋁原子的鋁電極，

但鋁原子與電極間連接著一個"spacer"溴原子，且兩個鋁原子之間相 距為 d[35]。模擬的系統圖以及他們計算出來的結果如圖 6，他們發 現這種系統在 d=8.6a.u.時在某個電壓範圍擁有負的微分電導。且預

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期此系統在 d 減少一些時此現象將會消失，他們模擬了 d=5.4a.u.時 的系統，發現負微分電導的確消失了。此篇我們注意到了這系統能態 密度(Density of states)在費米能階(Fermi energy level)附近擁 有很大的峰值(peak)，就我們對 Seebeck 係數與 DOS 之間的關係的了 解，我們知道 Seebeck 係數會與 transmission function 在費米能階 上的斜率成正比，而 transmission function 與 DOS 也大致上成正比，

故我們預期此系統會擁有較大的 Seebeck 係數。

圖. 6 N.D.Lang 模擬 Br-Al-Al-Br 連接在兩個鋁電極之的模擬系統 圖以及 DOS[38]。

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圖. 7 N.D.Lang 模擬 Br-Al-Al-Br 連接在兩個鋁電極之間的 I-V 特 性[38]。