磁性單分子器件電子輸運性質(zhì)及其自旋調(diào)控.pdf

1、本文采用第一性原理計算方法，系統(tǒng)地研究了分子尺度體系輸運性質(zhì)中存在的幾個問題以及通過設(shè)計特殊分子器件實現(xiàn)有意義的輸運特性。重點探討了酞菁分子和過渡金屬酞菁分子的磁致電阻效應、寬度對6，6，12石墨炔輸運性質(zhì)的影響，得到了好的磁致電阻效應，負微分電阻和自旋過濾效應，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驗方法以及當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算的基礎(chǔ)上，詳細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)和實際應用。最后詳細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，進行分子導體輸運特性的第一性原理計算及所采用的計算程序。
　　基于實驗上測得酞菁分子和鈷酞菁分子具有巨磁電阻效應，我們研究了酞菁分子和過渡金屬酞菁分子的磁致電阻效

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

4、研究。研究發(fā)現(xiàn)，4個寬度此納米帶費米能級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個寬度此納米帶的，這就導致了非常不一樣的輸運性質(zhì)。如在不考慮磁性的情況下，5個寬度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個寬度6，6，12-graphyne的體系中出現(xiàn)了磁致電阻效應，負微分電阻和自旋過濾效應。
　　為了實現(xiàn)電子器件的不斷小型化，人們基于單分子設(shè)計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，開關(guān)效應，場效應管，自旋過濾和磁致電阻效應等，都已經(jīng)在分子體系，甚至單分子體系中實現(xiàn)了。然而，在分子器件中實現(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)文獻均沒能在分子尺度器件中實現(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現(xiàn)基爾霍夫效應，我們試圖通過增加分子間的距離來減少或消滅量子相干效應;同時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)果和我們的預想一致，在我們設(shè)計的電路中顯示出了完美的基爾霍夫疊加定律:當雙碳鏈之間的距離調(diào)整到15.5(A)時，雙鏈體系的電導是單鏈體系的1.96倍，同時在一個大的電壓范圍內(nèi)，通過雙鏈的電流幾乎是通過單鏈的2倍。此外，增加雙鏈之間的距離，電導疊加效果更好;相比于單鏈，雙鏈體系中的自旋過濾效果得到了加強。
　　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個寬度時，鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的總能相差只有2.8meV。我

7、們對鋸齒型石墨炔納米帶三種磁態(tài)的穩(wěn)定性進行了初步計算，計算結(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。邊沿雙氫化的石墨炔在沒有加外電場時，鐵磁態(tài)與反鐵磁態(tài)的總能差值為20.3meV(而單氫化時僅為8.2meV)。隨著外電場的介入，這種總能差值隨著電場的增加而增加，在0.07 V/(A)時達到了最大值35 meV。這個總能差值是令人興奮的，因為它相當于408K的溫度差，這表明石墨炔在電場0.07 V/(A)時可以

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