新型有机自旋阀器件的理论设计及电荷性质机理研究

Electron has the properties of charge and spin. Spintronics studies the control and utilization of electron spin. The introduction of spin manipulation creates new functionalities to traditional electronic devices. In particular, for organic molecules, there are long spin relaxation time can produce conceptually new spintronics devices based on quantum control, which may lead to a new revolution in information science. In this proposal, the organic spin valve devices (OSVDs) with novel structure and high performance will be designed based on molecular structures and the fundamental principle of electronics. And also, we will study on the charge transport properties of OSVDs as follows:(i) using the first-principle calculation and non-equilibrium Green's function, we will investigate the spin transport properties of OSVDs, and explore the physical mechanism for the modulation of magnetic resistivity.(ii) based on the first-principle electronic structure calculation combined with the Boltzmann transport method, we also study the spin injection, spin transition and relaxation time. By theoretical design and calculation, we will understand the fundamental physical process deeply for the spin transport in OSVDs, and the corresponding theoretical model will be obtained. Moreover, we will proposed a design scheme for the high performance OSVDs, and can provide the theoretical basis for the development of the practical OSCDs.

电子不但具有电荷，同时还具有自旋的特性。研究电子自旋的操纵及利用，使传统的电子学器件增加了新的功能。特别对于有机分子而言，由于具有很长的自旋弛豫时间和相干长度，将可能产生全新的基于量子调控自旋电子学器件，从而引发一场新的信息科学的革命。本项目中，我们将从分子的结构特征和电子学的基本原理出发，设计出结构新颖、性能优越的新型有机自旋阀器件，并从两个方面对其电荷输运性质展开研究：1）采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法，预测单分子磁体自旋阀器件的电荷输运性质，并探索其磁阻率调制的物理机理；2）基于第一性原理的电子结构计算并结合玻尔兹曼输运方法，深入研究有机自旋阀器件的自旋注入、自旋翻转、弛豫时间等性质。通过理论设计和计算，我们将充分理解有机自旋阀器件中与自旋输运相关的基本物理过程，得到相应的理论模型，并提出性能优越的有机自旋阀器件的设计方案，为新型有机自旋电子器件的实际开发提供理论依据。

本项目从分子的结构特征和电子学的基本原理出发，设计出结构新颖、性能优越的新型有机自旋阀器件，并采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法，预测单分子磁体自旋阀器件的电荷输运性质，并探索其磁阻率调制的物理机理；且基于第一性原理的电子结构计算并结合玻尔兹曼输运方法，深入研究了有机自旋阀器件的自旋注入、自旋翻转、弛豫时间等性质。通过理论设计和计算，充分理解了有机自旋阀器件中与自旋输运相关的基本物理过程，得到相应的理论模型，并提出性能优越的有机自旋阀器件的设计方案，为新型有机自旋电子器件的实际开发提供理论依据。本项目通过三年的研究，按项目计划执行各项研究任务，完成了各项研究目标，取得的主要研究要点如下：.1、对半导体材料中载流子迁移率计算理论方法进行了发展和完善，考虑了多种散射机制的影响，并引入自旋轨道耦合作用对能带结构的影响，推导出了多K点共同作用下的电荷弛豫时间的公式，建立了更加完善的理论研究方法；.2、研究了分子磁体的自旋输运行为，如酞菁铁，嘧啶镍等分子磁体器件的电荷输运性质，得到了非常高效率的分子自旋整流效应，为实际器件设计提供了新的研究思路；.3、计算了TTF分子结的电荷输运性能，发现了非常显著的负微分电导效应，预计在制备分子开关方面具有重要的应用潜力；并设计了基于poly-(terphenylene-butadiynylene)分子的有机自旋开关和自旋过滤器，阐述了器件内在的自旋输运机理，为实际制备高效率有机自旋器件提供了理论依据；.4、此外，研究了多种新型二维纳米结构的自旋输运行为，计算了MoS2，硅烯，磷烯等新型类石墨烯材料中电荷输运性质，得到了一系列和实验结果更接近的理论数据,并考察了多种化学和物理调制方法对新型二维器件的自旋输运性质的影响，揭示了其中的物理规律。. 在本项目的支持下，目前已经正式发表科研论文26篇，其中23篇为SCI收录，另外有3篇文章投寄到国外SCI源刊杂志，所有论文均标注基金资助（No. 61306149）。