有机过渡金属分子结自旋热电效应的理论研究

Thanks to the development of experimental techniques, the study of the spin-dependent thermoelectric effects have been one of the research hotspots in spintronics. It offers a new method to produce the pure spin current and a promising attempt to solve the heat generation in microelectronic devices. Experimentally, organic molecules and transition metals can be synthesized to organometallic compounds. The interaction between the rest unpaired electrons in transition metals may generate the new molecular magnet. The organometallic compounds and metal electrodes can be coupled to the molecular junction with the sandwich structure, and the bias-voltage-induced spin transport properties have been widely studied, while the studies of the spin-dependent thermoelectric effects are scarce. This project will study the effects of the interface between multilayer organic transition-metal compounds and metal electrodes, doping and the spin-orbit coupling on the spin-dependent thermoelectric effects. Clarifying the transfer mechanism of the spin in organic transition-metal molecular junctions under a temperature field, the effects of the doping and spin-orbit coupling induced spin split of the quantum state on spin transport properties induced by the temperature difference. Our study will find the new avenue to control the spin degree of freedom and improve the spin thermoelectric effects, and provide the theory support for the design of pure-spin-current thermoelectric devices.

得益于实验技术的发展，自旋相关的热电效应已成为目前自旋电子学的研究热点之一。它提供了一种新的可以产生纯自旋流的方法，有望解决目前微型电子器件的过热问题。实验上，有机分子与过渡金属原子可以被合成有机金属物，过渡金属原子上剩余的未配对电子之间可以发生相互作用而形成新的分子磁体。有机金属物和金属电极可以耦合组成三明治结构的分子结，其电压引起的自旋输运特性近年来得到了广泛的研究，但是对其自旋相关的热电效应研究还比较匮乏。本项目拟采用第一性原理的方法从原子的层面上研究多层有机过渡分子化合物和铁磁电极之间的界面态，掺杂以及过渡金属原子中自旋轨道耦合效应对自旋热电效应的影响。弄清温度场下自旋在有机过渡金属分子结中的转移机制，掺杂以及自旋轨道耦合引起的自旋态的劈裂对温差引起的自旋传输特性的影响。寻找新的操控电子自旋自由度和提高自旋热电效应的方法，最终为设计纯自旋流的热电装置提供理论支持。

自旋电子学，也称磁电子学。它指的是固体器件中电子在传输过程中不仅携带了电荷，同时还携带了自旋和磁矩。 对于这门新兴的学科和技术，如何操控固态器件的自旋传输是该领域中被重点关注的课题之一。最近，自旋探测技术的进步，使得利用温度场去控制自旋成为可能。该领域可归属于自旋卡诺电子学。本课题利用非平衡态格林函数结合密度泛函理论主要针对一维量子结构器件的自旋热电效应展开深入研究。重点研究了以下内容：（1）通过对石墨烯或硅烯纳米带一维量子器件散射区域进行表面原子吸附或边界区域掺杂后,可在费米面处引入局域态。通过控制它与周边扩展态的量子干涉，从而引起态密度的突变，以导致自旋热电效应的增强。（2）对于石墨烯纳米片分子热电器件，其费米面处量子态引起的隧穿峰的形状和位置可通过外加电场控制。从而可增强其自旋热电效应。（3）通过对碳氮纳米带器件的边界修饰，获得了自旋半导体性质或半金属性质，最终设计出了多功能的自旋电子器件。以上研究对研发高性能的自旋热电器件和多功能自旋量子器件具有很好的参考价值。