“石墨烯-单分子磁体Fe4-石墨烯”分子器件的设计及输运性质研究

Spintronics is a cross disciplinary, which Storage and process information by utilizing electronic charge and spin. Accompanying the progress of microelectronics, the utmost of the silicon electronic devices, caused by the physical limit from its extremely small scale, is about to be reached. One of approaches is developing molecular spintroncis with nanometer scale. Single-molecule magnets with weak spin-orbital interaction are regarded as one of promising candidates for the next-generation electronic device. We design a series of Fe4-based single-molecule electronic devices with grapheme electrodes, including spin filters, spin valves and spin-FET. We investigate the transport properties and physical machanism of several molecule junctions by performing the first principles calculations based on density functional theory (DFT) and nonequilibrium Green’s function (NEGF). Our results can provide fundamental guidelines for designing of molecular electronic devices. It would has important values in academic significance and potential application.

自旋电子学是同时利用电子的电荷和自旋来存储和处理信息的一门新兴的交叉学科。随着电子器件向着不断小型化趋势发展，传统的硅基电子器件会受到量子尺寸效应的限制，突破这种极限的出路之一是发展基于单个分子级别的分子自旋电子学器件。单分子磁体由于其弱的自旋轨道相互作用以及弱的超精细相互作用就成为自旋电子学材料的热门候选之一。本项目将以石墨烯为电极，结合实验上已经合成出的单分子磁体Fe4，理论上设计和构筑一些具有多功能的单分子自旋电子学器件，如自旋过滤、自旋阀、自旋场效应管以及热输运器件等等。并利用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，对其输运特性进行理论预测及机理分析研究，这可以为分子自旋电子学器件的研制提供材料基础和科学依据，具有重要的学术意义和潜在的应用价值。

本项目紧密围绕研究计划，理论上设计和构筑一些具有多功能的分子电子学器件，运用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法，对其输运特性进行理论预测及机理分析研究。具体开展了以下几方面的研究工作。一、以石墨烯为电极，结合实验上已经合成出的单分子磁体Fe4，建构了“石墨烯-单分子磁体Fe4-石墨烯”双电极结构的分子器件，通过在左右电极施加一定的温差，得到了热致自旋极化的电流。二、我们将研究范围进一步扩大，对电极材料石墨烯自身电属性的研究也是本项目的关键问题之一。我们在“双层石墨烯器件”的自旋输运计算中，获得了很好的自旋极化现象，以及明显的负微分电阻现象。进一步揭示了自旋过滤现象和负微分电阻现象主要受堆积方式和边缘钝化形式的影响。三、受上面研究工作启发，继续开展了“被少周期激光脉冲驱动的石墨烯系统的布居动力学特性”研究，研究了由连续和脉冲激光驱动的朗道量子化的石墨烯系统中红外孤子、匹配孤子对的形成和传输，探索了周期量级脉冲激光与石墨烯系统相互作用的物理机制。