磁性單分子器件電子輸運(yùn)性質(zhì)及其自旋調(diào)控.pdf

1、本文采用第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)地研究了分子尺度體系輸運(yùn)性質(zhì)中存在的幾個(gè)問(wèn)題以及通過(guò)設(shè)計(jì)特殊分子器件實(shí)現(xiàn)有意義的輸運(yùn)特性。重點(diǎn)探討了酞菁分子和過(guò)渡金屬酞菁分子的磁致電阻效應(yīng)、寬度對(duì)6，6，12石墨炔輸運(yùn)性質(zhì)的影響，得到了好的磁致電阻效應(yīng)，負(fù)微分電阻和自旋過(guò)濾效應(yīng)，并行碳鏈中的基爾霍夫定律以及石墨炔納米帶的穩(wěn)定性問(wèn)題。主要內(nèi)容如下:
　　首先介紹了分子電子器件研究的發(fā)展概況、人們探索分子尺度器件的實(shí)驗(yàn)方法以及當(dāng)前研究分子器件的主要理

2、論方法，最后闡明了本論文研究的主要內(nèi)容和意義。
　　接著，在介紹什么是第一性原理計(jì)算的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了兩種主要的第一性原理方法Hartree-Fork近似方法和密度泛函理論方法的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用。最后詳細(xì)地介紹了如何把密度泛函理論和非平衡態(tài)格林函數(shù)方法結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行分子導(dǎo)體輸運(yùn)特性的第一性原理計(jì)算及所采用的計(jì)算程序。
　　基于實(shí)驗(yàn)上測(cè)得酞菁分子和鈷酞菁分子具有巨磁電阻效應(yīng)，我們研究了酞菁分子和過(guò)渡金屬酞菁分子的磁致電阻效

3、應(yīng)，得到了比實(shí)驗(yàn)上大得多的磁致電阻效應(yīng)。通過(guò)分析多種過(guò)渡金屬酞菁分子的自旋磁矩，鉻酞菁分子中的過(guò)渡金屬鉻原子擁有最大的自旋磁矩，因此最適合做自旋過(guò)濾器件，我們的計(jì)算驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
　　6，6，12-graphyne，雖然不像石墨烯，alpha石墨炔那樣具有六角對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，但卻具有不對(duì)稱(chēng)的狄拉克錐。這預(yù)示著6，6，12-graphyne具有奇特的電子特性和輸運(yùn)性質(zhì)。因此我們對(duì)鋸齒型的6，6，12-graphyne納米帶的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了

4、研究。研究發(fā)現(xiàn)，4個(gè)寬度此納米帶費(fèi)米能級(jí)附近兩條能帶不像石墨烯那樣是平的，而是弧形的，也不同于5個(gè)寬度此納米帶的，這就導(dǎo)致了非常不一樣的輸運(yùn)性質(zhì)。如在不考慮磁性的情況下，5個(gè)寬度6，6，12-graphyne的體系中，電流是被抑制的。在反平行的自旋極化下，5個(gè)寬度6，6，12-graphyne的體系中出現(xiàn)了磁致電阻效應(yīng)，負(fù)微分電阻和自旋過(guò)濾效應(yīng)。
　　為了實(shí)現(xiàn)電子器件的不斷小型化，人們基于單分子設(shè)計(jì)出了具有各種功能的電子器件。傳統(tǒng)

5、器件中的二極管效應(yīng)，開(kāi)關(guān)效應(yīng)，場(chǎng)效應(yīng)管，自旋過(guò)濾和磁致電阻效應(yīng)等，都已經(jīng)在分子體系，甚至單分子體系中實(shí)現(xiàn)了。然而，在分子器件中實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的基爾霍夫定律的研究工作卻很少。僅有的幾篇相關(guān)文獻(xiàn)均沒(méi)能在分子尺度器件中實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的基爾霍夫定律，原因是并行分子鏈間存在耦合，這種耦合會(huì)產(chǎn)生量子相干或退相干作用。鑒于此，為了在分子器件中實(shí)現(xiàn)基爾霍夫效應(yīng)，我們?cè)噲D通過(guò)增加分子間的距離來(lái)減少或消滅量子相干效應(yīng);同時(shí)我們選擇了分子本身寬度很窄的碳原子鏈作為材料。

6、結(jié)果和我們的預(yù)想一致，在我們?cè)O(shè)計(jì)的電路中顯示出了完美的基爾霍夫疊加定律:當(dāng)雙碳鏈之間的距離調(diào)整到15.5(A)時(shí)，雙鏈體系的電導(dǎo)是單鏈體系的1.96倍，同時(shí)在一個(gè)大的電壓范圍內(nèi)，通過(guò)雙鏈的電流幾乎是通過(guò)單鏈的2倍。此外，增加雙鏈之間的距離，電導(dǎo)疊加效果更好;相比于單鏈，雙鏈體系中的自旋過(guò)濾效果得到了加強(qiáng)。
　　跟石墨烯納米帶一樣，石墨炔納米帶的磁性穩(wěn)定性也不理想。如納米帶12個(gè)寬度時(shí)，鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的總能相差只有2.8meV。我

7、們對(duì)鋸齒型石墨炔納米帶三種磁態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行了初步計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，邊沿雙氫化的石墨炔納米帶反鐵磁態(tài)的穩(wěn)定性較單氫化的明顯增強(qiáng)。邊沿雙氫化的石墨炔在沒(méi)有加外電場(chǎng)時(shí)，鐵磁態(tài)與反鐵磁態(tài)的總能差值為20.3meV(而單氫化時(shí)僅為8.2meV)。隨著外電場(chǎng)的介入，這種總能差值隨著電場(chǎng)的增加而增加，在0.07 V/(A)時(shí)達(dá)到了最大值35 meV。這個(gè)總能差值是令人興奮的，因?yàn)樗喈?dāng)于408K的溫度差，這表明石墨炔在電場(chǎng)0.07 V/(A)時(shí)可以

8、在常溫下保持穩(wěn)定。我們的計(jì)算還發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)范圍(0.04～0.07)V/(A)內(nèi)，自旋向上的能帶通過(guò)了費(fèi)米能級(jí)，而自旋向下的能帶是直接帶隙的。也就是說(shuō)通過(guò)調(diào)節(jié)外電場(chǎng)的值，我們得到了半金屬性，而且這種半金屬性是穩(wěn)定的，這預(yù)示著石墨炔可以制作成穩(wěn)定的自旋過(guò)濾器件。
　　通過(guò)調(diào)控酞菁分子中鈷原子的自旋方向來(lái)調(diào)控其自旋過(guò)濾效果。當(dāng)不考慮鈷原子磁性方向時(shí)，鈷酞菁分子體系中的自旋過(guò)濾效果不佳?？紤]鈷原子的磁性方向后，自旋向上和自旋向下電流的差值