新型分子磁體及其器件設(shè)計(jì)的理論研究.pdf

1、新型分子磁體及其器件的研究，是當(dāng)前國際上物理電子學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一，在信息科學(xué)領(lǐng)域有著重要而廣泛的應(yīng)用前景，有望形成科技的新突破。本論文從含有NO自由基的純有機(jī)分子磁體和含有過渡金屬的分子磁體的計(jì)算入手，探尋分子磁體中磁性與電導(dǎo)性共存的微觀規(guī)律，借助計(jì)算模擬預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)新型的電磁雙功能分子磁體，并且研究了具有復(fù)合功能的分子磁體中的電磁輸運(yùn)性質(zhì)；同時(shí)研究了幾種自旋電子學(xué)熱門材料極化表面的重構(gòu)和新物性；并且結(jié)合已經(jīng)合成的分子固體磁性材

2、料，理論設(shè)計(jì)出具有多種物理特性的有機(jī)磁性分子器件，深入研究了有機(jī)磁性分子器件的自旋輸運(yùn)特性和分子的微結(jié)構(gòu)，以及與環(huán)境（電極）之間的關(guān)系對(duì)自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響，探索了在有機(jī)磁性分子中由于磁性中心自旋態(tài)、有機(jī)磁性分子結(jié)構(gòu)和組態(tài)的不同以及有機(jī)磁性分子與電極耦合強(qiáng)弱的不同而使自旋輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生差異的機(jī)理。主要研究結(jié)果如下：
　　 首先，采用基于密度泛函理論的第一性原理研究了幾種含有NO自由基的有機(jī)分子磁體的電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)，結(jié)果表明在含有穩(wěn)

3、定NO自由基的有機(jī)分子磁體中，由于NO自由基上O和N原子的2p軌道之間存在雜化，使得其自旋磁矩主要來自于自由基上的N和O原子。同時(shí)我們還研究了含有過渡金屬的分子磁體的電子結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于含有過渡金屬的分子磁體，過渡金屬的d或f電子以及橋配體在分子磁體中起著非常關(guān)鍵的作用。在分子磁體中，自旋載體是金屬離子，金屬離子在整個(gè)三維網(wǎng)格中都與橋配體存在相互作用，橋配體起到連接和磁耦金屬離子的雙重作用。特別有意義的是，通過對(duì)含有過渡金屬的分

4、子磁體的研究，預(yù)言了有機(jī)半導(dǎo)體分子磁體、有機(jī)半金屬分子磁體和有機(jī)金屬分子磁體，通過研究發(fā)現(xiàn)影響分子磁體電導(dǎo)性和磁性的主要因素是過渡金屬離子，同時(shí)有機(jī)橋配體中所含元素的不同，對(duì)電導(dǎo)性和磁性也有很大影響。通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,還設(shè)計(jì)出新型的電磁雙功能分子磁體。
　　 其次，由于自旋極化的材料表面具有不同于塊材的獨(dú)特性質(zhì)，使其在自旋電子器件和磁性存儲(chǔ)器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景，為了研究有機(jī)-無機(jī)界面的輸運(yùn)性質(zhì)，并且將有機(jī)/無機(jī)材料表面

5、與界面自旋態(tài)性質(zhì)的研究與實(shí)驗(yàn)上的自旋閥結(jié)合起來,我們還采用“L(S)DA+U”的方法研究了半金屬Fe3O4、多鐵材料BiFeO3及半導(dǎo)體材料CdSe的表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了這些材料表面結(jié)構(gòu)的重構(gòu)和聚化，通過表面能的計(jì)算對(duì)表面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并且通過電子結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)表面的磁性與電導(dǎo)性與塊材時(shí)有很大差異。
　　 最后，在對(duì)分子磁體的磁性、磁性與電導(dǎo)性共存性以及功能材料極化表面性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，利用已經(jīng)合成的分子磁體，理論設(shè)計(jì)出新型有

6、機(jī)磁性分子自旋閥、分子自旋過濾器、分子開關(guān)及分子自旋二極管/整流器件，并且運(yùn)用密度泛函理論(DFT)與非平衡態(tài)格林函數(shù)(NEGF)相結(jié)合的方法深入研究了這些有機(jī)磁性分子器件的自旋輸運(yùn)特性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)中心散射區(qū)的分子與電極耦合較弱及散射區(qū)分子長度增加時(shí)，自旋電流都明顯的下降；當(dāng)散射區(qū)分子的磁性中心自旋平行與反平行時(shí)通過的自旋電流也是不同的，從而使有機(jī)磁性分子結(jié)可以做分子自旋閥、分子自旋過濾器件及分子開關(guān)器件；并且當(dāng)磁性分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱

7、時(shí)，加上正向偏壓和負(fù)向偏壓時(shí)的電荷流和自旋流也不相同，從而表明不對(duì)稱的磁性分子結(jié)還可以作為分子自旋二極管和分子整流器件。同時(shí)我們還對(duì)有機(jī)磁性分結(jié)的負(fù)微分電阻(NDR)現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究，研究發(fā)現(xiàn)NDR主要來自于電極與分子的強(qiáng)耦合，因?yàn)榉肿颖菊鲬B(tài)的對(duì)稱性破缺相受外加偏壓的影響，使電極能帶與分子能級(jí)在一定偏壓下不匹配，導(dǎo)致分子與電極的耦合隨著外加偏壓的影響出現(xiàn)非線性的變化從而出現(xiàn)NDR現(xiàn)象；并且電極窄的態(tài)密度也會(huì)使體系產(chǎn)生NDR。研究結(jié)果