有机金属三明治团簇与纳米线的结构、电磁性质和输运行为研究

由金属元素和有机分子交错堆积而成的三明治化合物具有独特的分子磁性与良好的自旋滤波特性，在分子电子学与自旋电子学上具有很大的应用价值。采用密度泛函理论，本项申请拟对混合单环有机金属三明治团簇与纳米线、单（多）环有机分子与金属链或金属片构成的三明治团簇与纳米线的结构、电磁性质与输运性质进行深入研究。探索这两类化合物中金属与金属、金属与有机分子间的键合机制，总结这两类化合物结构稳定的物理化学规律。研究这两类化合物中复杂的电子结构与磁性质，分析它们的磁稳定性。探索混合化合物体系中的磁可调节行为和能带调制机制，探索金属键强弱对后一类化合物电磁性质的影响。总结两类化合物在键合方式、电磁性质方面的异同点。研究两类化合物的输运性质，探索团簇尺寸、电极材料以及团簇与电极的接触位置对团簇输运性质的影响，寻找具有良好结构稳定性、电磁性质与自旋滤波行为的分子磁性材料，为新功能材料与器件的设计提供理论依据。

由金属原子和有机/无机分子环构成的三明治化合物具有独特的结构和新颖的电磁性质，在高密度信息存储、自旋电子学等方面具有重要的应用价值。针对金属有机/无机三明治团簇和分子链体系中尚不明确的金属与分子键合方式、电磁性质及其物理根源，我们基于第一性原理的密度泛函理论计算，对混合单环有机金属和单（多） 环有机金属三明治团簇与一维无限长纳米线的结构、电磁与输运性质进行了系统的研究，得到了一些创新性研究成果：1）提出了通过不同金属原子或有机分子的混合来提高这类材料的磁稳定性，并有效调控体系的分子磁矩，总结出这类双金属分子链遵循的电子填充规律，并发现了半金属方程，可有效预测寻找新型半金属分子磁性材料；2）研究了多核金属三明治化合物体系中的复杂磁耦合作用，揭示了金属-金属的直接交换作用与超交换作用的共同竞争导致金属原子间出现复杂的铁磁或者反铁磁耦合；3）通过改变团簇的化学成分和几何结构，可以有效地调节双核三明治团簇的电子结构与磁性质，甚至得到铁磁半金属材料，表现出100%的自旋极化率，部分化合物的I-V曲线展示出负微分电阻效应；4）预言了笼型配体碳硼烷与过渡金属原子由于离子-共价的共同作用，可形成稳定的三明治化合物，且具有丰富的磁性，增加或者减少一个电子可以使某些化合物发生旋转，可望作为分子发动机的候选材料；5）进一步将配体从有限的碳环延伸到无限大的石墨烯，研究了拓扑缺陷的存在对这种半三明治结构和磁性的影响，发现“不完美”不但可以增强金属原子与石墨烯的相互作用，而且可以在很大范围内调节体系的磁性质。.将研究拓展到石墨烯等二维材料，针对实验上制备尺寸可控、边界干净石墨烯纳米带的难题，提出了利用金属原子催化切割碳纳米管成纳米带和利用外应力定向切割大片石墨烯成纳米带阵列的方法。提出了多层石墨烯的氢化机制，揭示了封装石墨烯特别稳定的电子性质，为石墨烯电子器件的设计提供了理论基础。.在国际顶级和权威学术期刊上发表SCI学术论文23篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.快报 2篇（封面热点文章1篇），Nano Lett. 1篇，JPC 10篇，APL 2篇，PRB 1篇，封内封面热点文章3篇。超过6次在国际重要学术会议上做特邀报告。项目负责人获得江苏省自然科学杰出青年基金、江苏省333高层次人才支持计划。