有机分子器件中电荷/自旋极化输运及功能性研究

近年来，随着扫描隧道显微镜等实验合成技术的发展，使开发和利用由有机分子组成的、具有光电磁等现象的分子电子器件成为热点研究领域。而电荷由于其自身的自旋关联又使得电子输运具有自旋相关性。因此研究有机铁磁分子内的自旋极化电荷输运对于此类分子在有机自旋电子学的应用十分重要。为理解有机材料器件中独特的电子和自旋输运特性，本项目拟结合一维紧束缚SSH模型和格林函数方法，考虑到了在非平衡态下有机器件中的电荷或自旋输运中有机材料所具有的软特性，即强的电子－晶格相互作用，外场和输运过程中的电荷积累都有可能导致分子的晶格畸变，系统的研究不同晶格畸变对分子电导的影响，并对其相关机制给出解释。同时对于有机铁磁分子，使用SSH＋Heisenberg模型研究了其自旋极化输运过程，对可能存在的自旋过滤，自旋整流等现象进行讨论。这对进一步理解有机分子器件的物理性质有重要的理论指导意义。

分子电子器件是微电子器件不断发展和小型化的必然趋势，是国内外关注的热点研究领域之一。本项目围绕有机分子的软特性（如电子-晶格相互作用、晶格畸变等），主要研究了分子间的相互作用及器件的光、电、磁行为等相关现象，并且通过对分子微结构态的调控，设计了功能性有机分子器件，同时对有机分子器件中独特的电子和自旋极化输运特性也进行了研究。首先选取了有机电子给体和受体之间有饱和键连接的非对称分子为研究对象，系统地探讨了分子间的扭转角和不同的吸附原子对二嵌段分子的整流特性的影响。其次对分子光开关进行了一系列研究，提出了新的开关机理，通过对分子链进行光致氢转移的调控，实现丁二烯分子电导在高低双稳态之间的转换，不仅增强了器件结构的稳定性，还显著提高了器件的开关比；提出了实现可逆双向开关的新途径，通过对分子/电极界面耦合的调控，实现了砒啶二芳烯分子器件从低电导率到高电导率的双向可逆导通，并且与传统的噻吩二芳烯分子器件相比，其热稳定性也得到了显著提高；研究了二氢茂并芳庚分子的光开关特性，发现这种开关在大的偏压与温度范围内，具有极高的热稳定性和极好的开关比。第三从量子角度出发，通过建立扩展的紧束缚模型，利用非绝热动力学方法，充分考虑有机材料的特点以及界面耦合的影响，针对电极/有机分子的不同构型，研究了载流子的注入及输运的动力学过程，指出注入的载流子在有机分子链中的输运特性。第四提出了通过界面耦合态的改变调控分子器件载流子输运性质的思路，预测了在双硫原子不对耦合的情况下，并苯分子将会观察到负微分电阻效应的存在。第五研究了碳纳米管非对称氢饱和下的巨磁阻效应，发现了负的巨磁阻效应和磁阻反转效应，与3d电子自旋反转引起的磁阻反转效应机理有很大不同，得到了一种易于控制的磁阻反转器件。第六针对氮掺杂石墨烯/石墨烯异质结，构造了一种通过电压方向控制的基于石墨烯的双向自旋开关装置，并且这种自旋器件具有较大的自旋开关比。同时完成了一部有特色的《纳米技术与分子器件》专著，现已作为研究生教材使用。所有这些成果都与近年的实验结果进行了比较，预见了一些可以实现的实验现象。本项目的完成有助于发现分子器件中更加丰富的物理内容，对分子器件的研制和开发起到了一定的指导和推动作用。