一些磁性单分子电子结构和自旋极化输运特性的理论研究

磁性单分子器件因其潜在应用价值，近年来已引起人们的关注和研究兴趣。本项目拟用电子密度泛函理论(DFT, DFT+U)和非平衡态格林函数相结合的理论计算方法，侧重计算一些磁性单分子(如一维金属有机分子链(M)n(R)n+1，R=CB6和COT, M=3d和4d过渡金属原子，络合物单分子磁体如[Ru(L)2)](PF6)2和Ni(pymp)2(py)2)和掺杂或缺陷诱导磁性石墨烯的电子结构和磁性等基本物理化学特性，定量表征它们的结构和物性之间的关系，确定它们在不同衬底表面的吸附行为，深入研究它们与非磁性电极(如Au,Si,碳纳米管和石墨烯条带)和磁性电极(如Fe和Ni)所组成磁性分子结的电子自旋极化输运特性，探索调制体系电子结构、磁性和自旋输运的各种可能途径，描述磁性单分子器件的工作原理，揭示体系自旋极化输运效应的微观机理，设计模型器件，为自旋分子电子学的实验和应用研究提供一些理论依据和指导。

项目按研究计划进行，主要研究内容侧重于探讨一些磁性单分子的几何、电子结构以及磁学性质，理论表征其结构与物性之间的关系，探讨磁性分子结的自旋极化电子输运特性，揭示其输运工作机理，理论上设计出具有特定功能的模型分子器件。项目的主要研究进展包括：(1). 设计出具有自旋过滤功能的模型分子器件：采用电子密度泛函理论和非平衡态格林函数技术相结合的理论研究方法，系统研究两个铁基(Fe-based)磁性单分子(一维金属有机分子链Fen(COT)n+1和金属配合物FeX4)的自旋极化电子输运特性。理论研究结果表明这些铁基磁性单分子的两个自旋输运通道的导电能力差别悬殊，表现出显著的自旋过滤效应，自旋极化系数均高达约98.0%。在小偏压条件下，Fen(COT)n+1位于Au(100)电极之间的输运特性主要取决于自旋向下的电子态，而对于FeX4与碳纳米管电极形成的分子器件而言，其输运特性主要源自于自旋向上的电子态，且依赖于有机配体的种类、以及电极和分子间的界面构型。(2). 设计出具有双功能的模型分子器件：采用氮掺杂的石墨烯纳米条带作为电极，基于铁酞菁FePc分子构建两端模型分子器件，理论研究表明小偏压条件下分子器件的输运特性主要取决于自旋向下的电子态，而观察到的负微分电阻效应主要来源于电极费米能级附近的电子态与FePc分子的前线轨道之间有效耦合强度的变化，从而在同一个单分子结中实现了自旋过滤和负微分电阻效应两种功能，有趣的是，此双功能具有鲁棒性(robust)，不明显依赖于石墨烯纳米条带的边界形状及条带宽度。(3). 富勒烯分子电子结构和输运性能的理论调控：对C28、N@C60和TiY2N@C80等富勒烯体系电子结构和输运性质的进行了较系统的理论研究，侧重探讨对其电子结构和输运性能的有效调控途径，分析它们在分子电子学中的应用前景。这些研究成果有助于对磁性单分子的构效关系和输运特性的认识，实现了预期研究目标。在基金委的资助下，已在J. Chem. Phys, J. Phys. Chem. C, Nanotechnology等学术期刊上发表SCI论文12篇，参加国内外学术研讨会共5人次，此外协助培养硕士2名，学士15名，在读研究生6名。