利用分子与磁性电极界面的重构等原子构型增强磁电阻

Recent studies show that molecular adsorption can induce reconstruction of close-packed metal surfaces, such as the reconstructions of Cu, Au and Pt surfaces with adsorption of fullerene, thiolate and graphene; these studies focused on nonmagnetic electrodes and are of great importance for molecular electronics studies. This project will extend adsorption induced surface reconstruction to molecular spintronics via detailed study of the interaction of molecules with ferromagnetic and antiferromagnetic metals, half-metals and alloys, etc. Our pre-researches show that magnetic surface reconstruction induced by molecular adsorption can enhance the spin-dependent hybridization at molecule-electrode interface, which makes simultaneously increase magnetoresistance (MR) and conductance possible, and increase these two parameters simultaneously are essential for further miniaturization of spintronic-devices. In addition, van der Waals (vdW) interactions are very important for the determination of interface bonding mechanism and hence important for the determination of magnetic properties. So this project will adopt DFT-based simulations with vdW interaction included and combine with STM and LEED experiments to study adsorption and reconstruction, and their relations with molecular spin-polarization and MR enhancement, for typical molecules on various types of magnetic surfaces. This project will reveal the relation between spin-polarization enhancement and interface atomic detail contacts, and design spintronic-devices with both larger MR and higher conductance.

近年的研究表明分子吸附会引起金属密堆表面发生重构，如富勒烯、硫醇盐、石墨烯等吸附引起的铜、金、铂等表面重构；这些研究关注非磁性电极表面，已证明对分子电子学的研究有重要意义。本项目将把吸附引起的重构研究拓展到分子自旋电子学中，研究分子与磁性金属、半金属、合金等的组合体系。我们的预研究表明分子吸附引起的磁性表面重构会增强分子与电极的自旋依赖轨道杂化，这使得同时提高电导率和磁电阻比率成为可能；而这两个参数同时提高对于自旋器件进一步小型化至关重要。此外范德瓦尔斯（vdW）力对于成功描述界面的成键性质（进而确定磁性质）很重要。所以本项目将采用包含vdW力的第一性原理计算模拟并结合STM和LEED实验来系统研究多个典型分子在多种磁性表面的吸附和重构，及改良界面原子构型对自旋注入和磁电阻的增强作用。本项目将深入揭示界面接触原子细节与自旋极化增强的关系，并在此基础上设计兼具大磁阻率和低电阻的分子自旋器件。

近年的研究表明分子和二维材料等在金属表面的吸附（与金属电极形成异质结）会引起金属表面发生重构，甚至重构密堆金属表面，以前的的研究主要关注非磁性电极表面，已证明对分子电子学的研究有重要意义。本项目把吸附引起的表面重构研究做了三个方面的重要拓展：1）拓展到分子自旋电子学领域：即研究分子与bcc(100)、fcc(111)等铁磁和反铁磁金属的表面重构及其对自旋电子学、磁电阻、磁存储的潜在应用；2）拓展到离子晶体半金属表面重构的研究；3）拓展到二维材料重构电极表面的机理、接触电阻、以及表面生长的新行为研究中。通过四年的研究，本项目很好地完成了预定目标，并取得了如下重要成果：1. C60 吸附引起的铁磁 Fe(001) 表面重构，发现只有我们重构表面的吸附构型才能够解释实验上发现的Fermi能级附近C60自旋极化与衬底自旋极化的相对反转；表面重构与否在实验上可以由控制退火温度实现。2. C60/Ni(111)的界面磁重构，发现C60也会重构Ni(111)表面，与实验符合；表面重构极大改变了界面两侧（分子和电极表面两个原子层）的磁性质；重构极大改变了有机-铁磁界面的磁交换和磁各向异性。 3. C60与层间反铁磁Cr(001)表面的界面，发现“次表面层”的Cr原子影响到了C60多个轨道的自旋劈裂性质，并且在C60上诱导了大的磁矩。4. 研究了单分子磁存储，提出6p元素可以给出甚至比d元素更大的磁各向异性，并且其设计方案（比d元素）相对简单；同时，我们的研究发现兼并轨道的贡献是主导的，而兼并轨道的贡献很多文献忽略了。以上几个研究推进了interface-assisted spintronics这一子学科以及单分子磁存储的发展。5. 以CrO2为例研究了half-metal 表面的重构机理，我们的研究发现，half-metal 的 Tasker type-II 表面需要电子重构到半导体相才稳定；而且，电子重构后的稳定表面不满足electron counting rule。6.研究了石墨烯重构Pt(111)表面的机理，指出是石墨烯前驱体（碳氢化合物或C60）引起的表面重构。7.其它方面的成果见后面正文部分。累计共发表受项目资助的包括JACS、PRB、NJP、JCP、ACS Nano、Chem Mater、JMCA、JPCC等在内的SCI论文22篇，另外5篇文章在投。