基于一维金属卟啉酞菁分子链的自旋逻辑器件的理论研究与设计

With the development of miniaturization of electronic devices, it is the ultimate goal of Molecular Electronics to realize logical function of organic molecular devices at nanometer scale and even molecular scale, and then assembling molecular machines. Therefore, it becomes a research focus both in theory and experiment at present. However, traditional molecular logic devices utilize electron charge to encode information, and does not take into account the spin properties of electron. Especially, spin-up and spin-down electrons carry information coding to become useful binary signals, which can complete various basic Boolean operations (“AND”, “OR”, and “NOT” etc.), and realize spin logic gate. The present project will take metalloporphyrin and metallophthalocyanine molecular chain as a research target, and their spin electronic transport properties will be studied by using nonequilibrium Green’s function method in combination with density functional theory. Furthermore, we analyze the regulation mechanism of transition metal element replacement and molecular chain width on the electronic structure of the system, mainly focus on the spin transport properties under external magnetic field and electric field, and various spin transport signals are obtained. Based on these, the relationship of spin logic inputs and outputs are established, and spin logic gate design scheme of the systems are presented, which provided theoretical guidance for experimental design and preparation logic gate devices based on molecular spin transport properties.

随着电子器件小型化发展，从纳米尺度乃至分子尺度上实现有机分子器件逻辑功能，进而组装成分子计算机，是分子电子学的最终目标，因而成为目前理论和实验研究的热点。然而传统的分子逻辑器件是利用电子的电荷来编码信息，并未考虑电子的自旋属性。特别是，自旋向上和自旋向下的电子能承载信息编码，可以成为有用的二进制信号，完成"AND"、"OR"和"NOT"等各种基本的布尔逻辑运算，从而实现自旋逻辑门的功能。本项目将以金属卟啉酞菁分子链为研究对象，采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究其自旋输运特性。深入分析中心过渡金属元素替换和分子链宽度对体系的电子结构的调控机理，重点研究体系在磁场和电场调控下的自旋输运特性，得到各种自旋输运信号，并在此基础上建立自旋逻辑输入和输出关系，提出构建该体系自旋逻辑门的设计方案，为基于分子自旋输运特性的逻辑门器件的设计与制备提供理论指导。

分子逻辑门是构建分子水平计算机的最基本单元，而传统的分子逻辑门是基于电子的电荷属性，忽略了电子的自旋属性。本项目从电子的自旋属性出发，建立了以密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的计算方案，将电子自旋向上和自旋向下编码为逻辑输入信号，电子自旋高低阻态编码为逻辑输出信号，建立了分子自旋逻辑门的理论框架。以一维酞菁锰分子链为例，计算了该体系处在不同外磁场下的电子自旋透射谱和自旋电流，通过调整外磁场的磁化方向，调整自旋极化电流大小。编码不同磁场调控区域的自旋输入信号和自旋极化电流的输出信号，在单一器件中实现了”NOT”, ”AND”和”OR”三种自旋逻辑操控。为了保证自旋输入信号不会相互干扰，我们提出了一套基于酸碱溶液和磁场的双调控模型，实现了两种正交输入信号建立的”AND”和”OR”分子自旋逻辑门。上述工作对理解和调控分子自旋逻辑门起到重要的推动和指导作用。. 在本项目的资助下，我们也开展了二维金属电极与二维半导体界面接触和亚5nm沟道场效应晶体管的一些研究。针对二维材料接触中的界面效应，建立了一套金属表面官能团调控方案，实现了金属与半导体间的肖特基接触到欧姆接触的转换。在场效应晶体管模拟中提出了抑制短沟道效应的方案。上述研究增进了人们对半导体器件，分子电子器件方面的理解和认识。