近年来，电子设备的微型化得到了工业界和科学界一致的关注，然而在超大规模集成电路等方面仍存在很多亟需解决的问题。在科学研究领域，作为未来硅基电子器件的替代者，分子器件受到了研究人员的青睐。当分子器件的尺寸缩减到nm级时，电子的波动性变得显著，此时，影响器件性能的主要因素是分子体系热力学统计的变化，通过传统的电子器件工作原理设计出的分子器件将无法正常工作。此外，随着工艺的复杂化，制造成本的提升，都不利于高效益生产。因此，当务之急便是探究新型分子器件。From+优`尔^文W网wWw.YouErw.com 加QQ75201^8766

随着微电子学的不断深入地研究，以及电子器件的微型化趋势，通过单分子来实现多种功能的电子器件已经是大势所趋，并极具发展潜力。分子开关是一种新型分子器件，它可以在两个或两个以上的稳定状态间进行可逆的转变，使电导性质发生变化。作为未来百年间数据存储与逻辑组件的基础单元，分子开关正受到了各方研究人员的关注[1]。由于界面材料的的微观结构很大程度上影响着其功能特性，新型纳米器件的设计制约于如何准确地从理论预测吸附结构。然而，精确描述界面结构和作用机制是十分复杂的，仍是新型纳米器件设计所面临的巨大挑战之一。

在nm级分子器件的研究中，传统的理论已经不能准确地预测其性质，我们需要使用能够对量子力学进行求解的方法来进行研究。第一性原理(first-principles)密度泛函理论（DFT）就是一种求解微观体系的量子力学方程的计算方法。早在20世纪60年代，这种计算方法就通过Thomes-Fermi模型建立起来。密度泛函理论使用粒子的密度来代替传统量子力学中的波函数来描述体系基态的物理性质，将3N维波函数简化成3N维粒子密度问题，使量子力学计算变得简单直观。由于粒子密度是一个可以被直接观测的物理量，第一性原理密度泛函具有很好的发展前景。

近数十年来，密度泛函理论的体系及其数值的实现方法都得到了很大的发展[2]。这使得其在化学、物理、材料、生物等方面获得广泛的应用。通过密度泛函理论计算和预测材料的结构参数、能量状态、以及电子结构将有助于人们设计新型纳米器件。因此，本课题将利用第一性原理计算机模拟方法系统地研究分子开关中材料界面的吸附行为。本课题采用计算方法的理论基础为密度泛函理论（DFT），通过DFT计算，我们可以得到体系稳态结构，从而进一步获得材料的力学、电子、光学、磁性等性能。但是DFT计算也面临着很多挑战，如在DFT理论中，忽略了长程交互作用，即范德华力，而范德华力在吸附体系中显得尤为重要，不仅影响着结构的稳定性，甚至还影响了材料的的一些特殊性能预测，如何对长程色散力进行修正，也显得尤为重要[3]。

1。1  分子电子学的发展

在二十世纪六十年代，Gordon Moore预测：计算机芯片的处理能力每隔两年就会提升一倍，后来修正为：单位面积的集成电路芯片上集成元件的数目每隔18个月就会翻一番。这就是我们所熟知的摩尔定律[4]。在过去的半个世纪，电子器件的发展符合了该预测，然而随着器件尺寸的减小，量子效应逐渐显著，硅基半导体的发展大概会在2020年左右达到极限。因此纳米电子学逐渐为大家所关注。

分子电子学是纳米电子学的重要分支，其主要的研究内容有各种分子器件的性质与合成、性能的检测以及如何组装成能实现逻辑功能的分子结构，如分子开关、分子整流器等。相较于传统的固体电子学，分子电子学有很大的发展潜力。