咔咯金属配合物的分子自旋性质调控

Molecular spintronics is an emerging field that combines the research of spintronics and molecular electronics, with the application of free spin and charge to the quantum process of information. Single molecular spin manipulation has important implications for high density storage and quantum computing device. This research can promote the technology development and create great social value and economic benefit. In our preliminary studies, we obtained the first direct spectroscopic observation of the modulation of the spin state of a copper-corrole complex through a chemical modification of its structure with the characterization of scanning tunneling spectroscopy (STS) spectrum. A sharp Kondo resonance appears near the Fermi level on the corrole ligand, which is formed by the interaction between the spin of the molecule and the conduction electrons of the substrate. On the basis of this research, we plan to systematically investigate on how to manipulate the spin of single metal corrole molecules by the influence of substitunents, central metal and molecular structure. Combining with the theoretical calculation and experimental data, we maybe able to understand the single molecular spin manipulation at a deeper theoretical level and guide the potential applications of metal corroles in molecular switch and information storage device.

分子自旋电子学是在分子水平上对分子的自旋和电荷进行研究，并将其应用于信息存储的量子过程的新兴研究领域。研究分子水平的单分子自旋调控，对于制造高密度存储设备和量子计算装置具有重大意义，有利于推动科技发展并创造巨大的社会价值和经济效益。我们前期的研究发现将铜咔咯配合物吸附于金表面时，通过化学反应增加咔咯配体的共轭体系，首次观察到咔咯配体的π自由基和基底作用所产生的近藤效应。在此基础上，我们计划系统研究扩展咔咯配体的共轭体系、中心金属和分子结构的改变对分子自旋的影响，通过变温顺磁共振、磁化率、扫描隧道谱的表征，实现对金属咔咯配合物的单分子自旋调控。我们还将结合计算化学和获得的实验数据，从理论层面研究单分子的电子结构和自旋变化，从而对金属咔咯化合物作为分子开关和分子信息存储设备的潜在应用做出理论指导。

自旋电子学通过调控电子的自旋自由度来构建新型电子学器件。与传统微电子技术相比，自旋电子学器件具有非易失性、低功耗、高密度和高速度等优点，在磁存储、物联网、大数据和人工智能等领域具有重要的应用价值。在过去的一、二十年间，自旋电子学领域已经取得了巨大的进展，包括高密度磁记录技术和磁性随机存储器。由于能够便捷地通过改变特定外部条件对其电子自旋及磁性进行有效的调控，有机分子逐渐成为近年来自旋电子学的研究热点，并衍生出了分子自旋电子学这一新兴研究领域。目前，利用扫描隧道显微镜（STM）探测并调控吸附于金属基底的单分子近藤效应（Kondo effect）进而表征单分子的自旋电子性质是研究分子自旋电子学的重要方法。我们在前期的研究基础上，系统研究扩展咔咯配体的共轭体系、中心金属和分子结构的改变对分子自旋的影响，通过变温顺磁共振、磁化率、扫描隧道谱的表征，实现对金属咔咯配合物的单分子自旋调控。结合计算化学和获得的实验数据，从理论层面研究单分子的电子结构和自旋变化，从而对金属咔咯化合物作为分子开关和分子信息存储设备的潜在应用做出理论指导。我们制备出苯并咔咯银配合物(Ag-1)，并利用STM对Ag-1在Ag(111)基底上的近藤效应进行了研究，发现Ag-1的电子态从常态下闭窍层单线态到吸附于银基底后转变为开窍层单线态，首次直接观察到了咔咯银配合物的分子自旋电子学性质。这类在中心金属和配体环上均具有近藤信号的双通道分子，为自旋电子学领域的微型化数据存储和逻辑门器件的设计提供了新途径。