磁性表面金属卟啉、酞菁分子的磁性及其调控的理论研究

The spintronic device by organic molecules has significant applications in information storage and quantum calculation. One of the essential issues is how to tune the magnetism of organic molecules effectively. In this project, the structure and magnetism will be studied for metal porphrin and phythalocyanine molecules on surfaces such as ferromagnetic metal Fe/Co/Ni, antiferromagnetic alloy MnFe/MnIr and half-metal Fe3O4/CoFeO4. The tuning of the magnetism in molecules and the corresponding mechanism will be investigated by several methods such as chemical stimulation, physical adsorption, external strain or stress, surface modification and surface defect. 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 organic molecules and surfaces will be analyzed. The experimental results will be predicted or explained for the molecule assembling on surfaces and the magnetism or spin polarization of molecular states. The purpose is to seek systems with stable magnetism and high spin polarization, to explore the effective way of tuning magnetism in molecules and the corresponding mechanism. This study will provide theoretical basis for the experimental study of organic molecular spintronics and its application.

由有机分子制作的纳米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，如何有效地调控有机分子的磁性是分子自旋电子学的关键问题之一。本项目将研究铁磁金属Fe/Co/Ni、反铁磁合金MnFe/MnIr和半金属Fe3O4/CoFe2O4表面上金属卟啉、酞菁分子的结构和磁性，通过化学刺激、物理吸附、外加应力、表面改性和表面缺陷等手段，探讨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(van der Waals)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，分析金属卟啉、酞菁分子与表面的磁相互作用，预测或解释它们在表面的自组装行为以及与体系磁性或电子态的自旋极化相关的实验结果，寻找具有稳定磁性和高电子自旋极化率的体系，探索有效调控分子内磁性的方法和微观机制，为有机分子自旋电子器件的实验研究和应用提供理论依据。

分子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。本项目通过密度泛函理论计算，进行的主要研究内容和重要结果可分为以下六个方面：(1) 酞箐分子与铁磁金属的相互作用：揭示了铁磁金属Fe(100)向多种酞箐分子(MnPc, FePc, CuPc)注入自旋极化电子的过程，预言并比较了各酞箐分子轨道和吸附诱导态自旋极化的变化及相应的微观机理；(2) 酞箐分子在反铁磁合金表面的自主装和分子磁性的调控：预言了反铁磁IrMn(100)表面锰酞箐(MnPc)分子的吸附行为和分子的自主装构型，提出可以通过机械工程方法，改变分子中Mn-N的键长，实现低/高磁矩和负/正自旋极化的可逆调控；(3) 化学刺激对酞箐分子磁性的调控：探讨了泛函对原子/分子吸附的MnPc分子电子结构和磁性的影响，指出文献中提出的NO分子诱导MnPc分子磁性的淬灭是错误的，预言了N原子对MnPc分子可实现磁性的可逆调控；(4)Graphene和单层h-BN在铁磁金属表面的吸附和磁性的诱导：发现增加考虑范德华弱相互作用后，可给出与实验相符合的吸附能、几何结构、电子结构和诱导的磁性质，为实验结果提供了微观机理的解释；(5) 表面改造对氧化物薄膜电子结构和表面磁性的微观调控:预言了适当的表面改造(通过B或C原子)可调控Fe3O4(100)表面的电子结构，提高自旋极化率。提出经良好改造的氧化物薄膜有可能代替铁磁金属电极；(6) Bi表面态的Laudau能级和电子自旋态：通过能带结构计算，解释了实验观测到的朗道能级的来源及朗道能级中载流子的输运性质, 发现了表面态存在具有范霍夫奇异性质的自旋态结构，解释了实验观测到的表面态在磁场下的塞曼劈裂效应。项目执行期间，在Nat. Commun.、J. Chem. Phys. C、J. Phys. Chem.、Phys. Chem. Chem. Phys.、J. Appl. Phys. 等国际学术期刊上发表致谢SCI论文7篇。以上文章项目负责人皆为第一作者。另外与实验合作，在Carbon、Nanoscale上发表论文2篇(未标注)，参加国际学术研讨会4人次。