电荷输运机制

表1

几种电荷输运机制的能带示意图，电流特性公式及电流对温度、电压的依赖关系

q ：电子电荷；V ：外加电压；k ：波尔兹曼常数；n ：理想因子；I s ：饱和电流；J s =I s /A εr ：相对介电常数；ε0：真空介电常数；L ：阴阳两极间距离

输运机制

能带示意图

电流特性公式

温度依赖性 电压依赖性 文献

直接隧穿

()()21122222exp 2q V d

I S m m d ααϕϕ-⎛⎫= ⎪

⎝⎭

none I V ∝ G1

Fowler –Nor

dheim 隧穿

*3232*42()exp 83FN

m Smq I E hm hqE ϕπϕ⎛⎫

=- ⎪ ⎪⎝⎭

none

()2ln 1I V V ∝ G2

Schottky 发射效应

()2120exp /I SAT e E kT βφ=- ()2ln 1I T T ∝

()1

2

ln I V

∝

G3

Poole-Frank el 效应

00

()exp PF q qE SV I d kT ϕπεεσ⎛⎫-=

- ⎪ ⎪⎝⎭

()ln 1I T ∝

()1

2

ln I V V

∝

G4

Hopping 传导

0exp(-)a E S

I V d kT

σ=

()ln 1I V T ∝

I V ∝ G5

SCLC 效应

23

98S S V I d

εμθ= none

n I V ∝

G6

Standard

diode 方程

Wd

Mott-Gurney law

none

J

1/2

V

I-V

欧姆传导

None

有用sclc

理解薄膜中电荷的输运机制对于分子电子器件的应用具有重要意义，例如分子二极管、分子晶体管和分子存储元件等。因此，关于金属电极薄膜中电荷的输运机制的研究已成为纳米材料研究中倍受关注的热点课题。电荷在金属电极-薄膜-金属电极结构中的输运机制主要有直接隧穿、Fowler–Nordheim隧穿、Schottky发射效应、Poole-Frankel 效应、跳跃传导（Hopping conduction）及空间电荷限制（SCLC）效应六种，各种输运机制的能带示意图，电流特性公式及电流对温度、电压的依赖关系如表1所示。

直接隧穿和Fowler–Nordheim隧穿属于非共振遂穿，电流大小均和温度无关，其中直接隧穿适用于小电

压范围，电流和电压呈线性关系；Fowler–Nordheim隧穿适用于较高电压范围

Reed G7研究组利用直接隧穿模型研究了饱和烷硫醇自组装薄

G8等也对烷基硫醇饱和分子结中的电荷输运进行了研究，证实了隧穿为饱和分子结中的主要电荷输运机制。中国科学技术大学王晓平G9研究组研究了自组装硫醇分子膜输运特征的压力依赖性，分析表明自组装硫醇分子膜输运特征的压力依赖性也主要源于电荷在分子膜中的链间隧穿过程。在较高电压范围，韩国光州科学研究院Lee G10等观察到饱和烷硫醇自组装薄膜器件电流输运机制由直接隧穿转变为Fowler–Nordheim隧穿,并研究了不同条件下过渡电压的变化规律。中科院上海微系统与信息技术研究所董耀旗G11等基于分栅闪存存储器的结构，对多晶硅/隧穿氧化层/多晶硅非平面结构的F-N隧穿进行了研究。天津大学胡明教授G12等在研究碳纳米管场发射性能时认为其至少在某一电流密度范围内属于Fowler–Nordheim遂穿。直接隧穿和Fowler–Nordheim隧穿是饱和烷烃自组装薄膜中最常见的两种输运机制，然而对于π共轭分子，由于禁带宽度较小，则有可能是近似共振隧穿机制。

Schottky发射效应是指在一定温度下, 金属中部分电子将获得足够的能量越过绝缘体的势垒，此过程又

称为热电子发射，美国匹兹堡大学Perello G13等研究碳纳米管器件时观察到Schottky发射效应并推算出Schottky势垒。北京工业大学聂祚仁G14研究组也通

过Schottky发射效应分析研究了纳米复合W-La

2O

3

材料的I-V曲线并计算了材料的有效逸出功。

如果介质层包含有非理想性结构, 如不纯原子导致的缺陷, 那么这些缺陷将扮演电子陷阱的作用, 诱陷

电子的场加强热激发将产生电流，此即为Poole-Frankel

G15等在研究a-C：F薄膜电学性能时观察到薄膜在高场区符合Poole-Frankel机制。如果介质层缺陷密度很大, 电子的输运将由跳跃传导控制，此时，电流和电压呈线性关

美国耶鲁大学周崇武G16等研究Au/Ti/4-thioacetylbiphenyl/Au分子结时观察到，在负偏压

且偏压较小时即属于跳跃传导机制。新加坡国立大学Nijhuis G17等在研究Ag TS SC

11Fc

2

//Ga

2

O

3

/EGaIn分子结

时也观察到跳跃传导机制。在自组装薄膜中跳跃传导相对于隧穿机制来说观察到的频率较低，因为目前所研究的分子中长度很少有超过2纳米的。

空间电荷限制效应是指注入具有一定绝缘性电介质中的电子将形成一定的分布，通过这一介质的电流与介质的电导率无关，只是由介质中出现的空间电荷决定, 故称为空间电荷限制电流效应。由电流特性公式可知空间电荷限制效应中电流和温度无关。理想条件下，电流对电压依赖关系中电压上的指数是2；在非理想条件下则是一个大于或等于1的数，表中用n表示。清华大学彭晓峰G18研究组利用空间电荷限制效应解释了

KTa

0.65Nb

0.35

O

3

/SiO

2

（100）薄膜在高电场强度下的电学性能。哈尔滨理工大学雷清泉院士G19研究组研究聚酞亚胺

薄膜高场电导特性时，根据空间电荷限制电流与温度的关系,求出了聚酞亚胺薄膜的陷阱能级。

影响金属电极-薄膜-金属电极结构中电荷输运机制的因素较多,目前尚没有一个统一的模型来很好地解释这一输运过程。现有研究多根据薄膜I-V曲线不同的阶段的特征应用这些理论模型进行分段模拟，得到势垒高度、衰减系数等参数，然而不同的小组甚至同一小组多次测量会得到不同的结论。对于这些报道的差异性，究其原因，一方面是技术上不够成熟，如分子与电极间接触不良、电极间的距离不合适、电极间的分子数目很难控制等；另一方面是由于人们对分子特性及电荷输运机制认识不够，不能很好地指导实验G20。因此科研工作人员进一步推理、发展这些理论模型就显得尤为重要。这些理论模型可为科研工作人员探索分子器件的工作原理、寻找不同功能的分子材料及设计不同功能的分子器件提供指导，更好地促进分子电子学的发展。

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