原子/分子吸附的Fe3O4表面电子结构和磁性的理论研究

The spintronic device with metallic oxide Fe3O4 electrode has significant applications in information storage and quantum calculation. The crux of a successful design of spintronic device is how to improve the spin polarization at surface of electrode and the ejection efficiency of spin-polarized electrons to organic molecules. In this project, the adsorption behavior and magnetism will be studied for several typical atoms, inorganic molecules, organic molecules on Fe3O4 surfaces. The micro tuning of the magnetism of surfaces and molecules as well as the corresponding mechanism will be investigated by changing the molecule type, the functional group, the molecular co-adsorption and the surface defect et al.. The computational methods are the density functional theory (DFT) combined with the van der Waals calculation. We will calculate the geometric configuration, bonding characteristic, electronic structure, charge transfer and spin density etc., in detail. The magnetic interactions of atoms or molecules and surfaces will be analyzed. The experimental results will be predicted or explained for the molecule adsorption behavior and the magnetism or spin polarization of molecular states. The purpose is to seek Fe3O4 surfaces with half metallic properties and adsorbed molecules with high spin polarization, to explore the effective way of tuning magnetism in the adsorbed molecules and the corresponding mechanism. This study will provide theoretical foundation for the experimental study of organic molecular spintronics based on Fe3O4 and their applications.

以金属氧化物Fe3O4为电极的自旋电子器件在信息存储、量子计算等方面具有广泛的应用前景。如何提高电极表面电子的自旋极化率和有机分子中自旋极化电子的注入效率是自旋电子器件设计成功的关键。本项目将研究一些典型的原子、无机分子、有机分子在Fe3O4表面的吸附行为和磁性，通过改变吸附分子的种类、分子的官能团、分子共吸附、表面缺陷等手段，探讨表面和分子磁性的微观调控及相关物理机制。拟采用密度泛函理论(DFT)方法，结合弱相互作用的定量计算，获得体系的几何构型、成键特性、电子结构、电荷转移和自旋密度等物理量，分析原子或分子与表面的磁相互作用，预测或解释它们在表面的吸附行为及与体系磁性或电子态的自旋极化相关的实验结果，寻找具有半金属性质的Fe3O4表面和高电子自旋极化率的吸附分子，探索有效调控吸附分子磁性的方法和微观机制，为以Fe3O4为基的有机分子自旋电子器件的实验研究和应用提供理论依据。

自旋电子器件在信息存储、量子计算等方面有广泛的应用前景。本项目通过密度泛函理论进行计算，主要研究内容和重要结果分为以下七个方面。(1)非金属N原子和无机NO小分子与磁性分子的相互作用：预言了N原子吸附可引起MnPc分子磁矩的淬灭，而NO分子仅引起Mn原子磁矩的略微下降，分析了这两种完全不同的变化相应的微观机理；(2)无机NO分子与氧化物表面Fe3O4(100)的相互作用：预言了NO分子倾斜吸附于表面的Fe原子上，在较窄的能量范围内恢复了表面的半金属性质，增强了表面电子的自旋极化率，吸附的NO分子本身可在费米能级附近提供可观的100%极化的电子态密度；3)过渡金属原子Fe与氧化物Fe3O4(100)表面的相互作用：提出了一种Fe原子在Fe3O4表面生长的新模型，基于此模型的DFT计算得到了与实验一致的反铁磁排列的结论，揭示了Fe/Fe3O4(100)界面反铁磁耦合的机理；4) H原子与NO分子共吸附对氧化物Fe3O4(100)表面电子结构和磁性的调控：预言了(H,NO)的共吸附比单独的H原子吸附具有更多的-100%自旋极化的电子态，比单独的NO分子吸附具有更宽的半金属性质的能量范围，可望大大提高表面的自旋注入效率；5)有机C5NH5分子单独吸附及与H原子共吸附对氧化物Fe3O4表面电子结构和磁性的调控：预言了C5NH5分子单独吸附时仅能在窄能量范围内获得高自旋极化的电子态，而(H, C5NH5)共吸附可在较宽的能量范围内恢复表面的半金属性质，且C5NH5分子中获得了100%自旋极化的电子态，理论计算结果指导了实验；6)二维材料表面贋磁场的产生及贋朗道能级的来源：提出了双重折叠的石墨烯结构模型，建立了一种能产生贋磁场的梯度应变模型，在此模型下通过DFT计算得到的电子态与实验测得的贋朗道能级一致; 7)中间能带的引入和带隙的调控: 预言了第VA族元素掺杂可在Cu2ZnSiSe4中引入半填充的中间带能带，Si掺杂可在较大能量范围内调节Cu2ZnGeSe4和Cu2ZnSnSe4带隙的大小，分析了中间能带的轨道成分、形成机制以及带隙变化的原因。在Nano Lett.、J. Phys. Chem. C、Phys. Chem. Chem. Phys.、Chem. Phys. Lett. RSC Advances等国际学术期刊上发表SCI论文8篇，另有2篇论文正在投稿中。