本项目为基础研究，属于纳米科学与技术中的分子电子学领域。分子电子学是一个新兴的、多学科交叉，快速发展，并不断取得重要成果的前沿领域。本项目在国家自然科学基金以及陕西省教育厅自然科学基金的资助下，以有机分子材料为基础，以光、电、磁功能为向导，以基础元器件设计为目标，围绕有机分子材料的结构特点，首先研究了不同有机分子体系中的电子结构特征、电磁特性以及基态和激发态的能级等信息。其次对非平衡态下，不同界面耦合态和外部环境下系统中的电荷空间分布变化规律以及量子输运性质等进行系统研究，并对其物理机制给出解释。最后，结合有机分子材料中独特的量子输运特性，设计了具有开关、整流、自旋过滤等功能的新型分子电子器件，为研制和开发分子电子器件提供了理论指导和新的研究思路。本项目的研究内容主要包括以下两个方面：

一、理论方法的研究：

1. 提出了一种基于保真度理论的新方法，这种方法不仅可以探测量子相变点，而且可以确定对称破缺相里基态波函数的简并度，而且这种新方法是不依赖于模型的、普适的。

2. 开发了一种基于PEPS表示的变分算法用以计算准一维量子多体系统的全局几何纠缠，研究表明几何纠缠能够有效地刻画量子格点系统的临界行为。另外，利用基于张量网络算法研究了键交替效应下的海森堡模型的高斯类拓扑量子相变，模拟出了高斯相变的各种临界指数。

3. 提出在紧束缚+海森堡模型的基础上，结合非平衡格林函数处理量子输运问题，以非平衡格林函数方法求解开放体系的密度矩阵，以此建立非平衡态下的自洽计算。通过数值计算分析影响量子输运的参数，探索提高分子器件功能性的途径。

二. 新型功能器件的研究：

1. 研究了有序掺杂氮/硼原子的扶手椅型石墨烯纳米带的电输运性质。研究发现掺杂浓度越高，电流增大幅度越明显，并且出现负微分电阻效应，实现类二极管效应的新型p-n结器件。

2. 以不同手性的单壁碳纳米管作为电极材料，利用一系列有机共轭光致色变分子构建了高效的分子光开关器件，探索了提高分子开关电特性和开关比的新途径。

3. 研究了电子给体-饱和键-电子受体分子体系中的整流效应，通过对分子间以及分子与电极之间的耦合方式进行调控，设计了具有整流效应的分子二极管。同时提出向分子隧道结引入不对称性，利用左右基团对电子隧穿以及电压极性响应的不同来获得强效的整流效应的新思路，这对于分子二极管的设计具有重要意义。

4. 研究了掺杂金属原子对分子器件载流子输运性质的影响。发现不对称的界面耦合结构对电场极性具有敏感的响应，在界面多通道耦合时会出现一个较大的负微分电阻效应，为设计负微分电阻器件提供了新思路。

5. 研究发现非共平面的有机分子能够有效抑制了分子内电荷转移从而提高了分子间电荷转移态稳定性，并且实现了纳米尺度信息点的写入-擦除和再写入，为可擦写的超高密度信息储存材料的设计提供了新的途径。

该项目的研究成果均已发表在SCI、EI收录的国际期刊上，课题组累计发表论文40余篇，其中SCI检索论文34篇，EI检索论文16篇，并且研究成果得到了国内外同行专家的正面引用，被CHEMICAL REVIEWS 影响因子 46.568， NANOSCALE 影响因子 7.394，CARBON影响因子 6.196， SCIENTIFIC REPORTS影响因子 5.578等国际知名刊物多次引用，SCI他引次数165次，出版学术专著《纳米技术与分子器件》一部。

本技术于2017年获陕西省科学技术三等奖