单分子自旋电子器件输运特性的理论表征和调控

As a new and emergent sub-area of molecular electronics or spintronics, recently molecular spintronics has attracted enormous research attentions since it holds promise for the next generation of electronic devices with enhanced functionality and improved performance. A central issue to design novel functional molecular spintronics devices is to manipulate molecular magnetism. In this project, we will carry out an extensive theoretical study of the spin-polarized transport properties of molecular spintronic devices based on density functional theory, molecular dynamics simulation, nonequilibrium Green's function technique as well as model spin Hamiltonians method. Our activities including the following three parts: (1) manipulate the electronic structures and molecular magetism of selected magnetic molecules (i.e. Cr@C28, CoII(dpzca)2, FeII2,Cp*DyCOT和TbPc2) by various possible methods including external field, chemical modification, doping, strain and environment. (2) quantitatively characterize the molecule-substrate interface and the magnetism of these molecules on various surfaces, such as Au, Cu, Ni, Co, CrO2, carbon nanotube and graphene. (3) build some reasonable molecular device models based on these possible candidates, explore and manipulate their spin-polarized transport properties, understand and explain these related experimental measurements and observations, and then design several novel functional single-molecule spintronic device, such as spin filter and spin crossover. These theoretical results and predictions will be helpful and useful for designing and applying molecular spintronics in near future.

分子自旋电子学作为一门新兴的前沿交叉性学科，正引起人们极大的关注和广泛的研究兴趣，如何利用和调控分子的磁性并设计出具有特定功能的分子自旋电子学器件是该领域的关键研究课题。本项目将采用第一性原理计算、分子动力学模拟、非平衡格林函数技术和自旋模型哈密顿量等多种理论方法，表征和调控Cr@C28, CoII(dpzca)2, FeII2,Cp*DyCOT和TbPc2等磁性分子的电子结构和磁学特性，确定分子-电极(如Au, Ni, Co,CrO2,CNT,graphene等)之间的界面特性和耦合作用，搭建各种合理的器件模型，探索调控分子器件磁性和极化输运特性的有效途径，如外场、化学修饰和应力等，揭示器件的自旋极化输运机理，解释相关实验观测结果，设计出一些具有自旋过滤和自旋翻转功能的分子自旋电子学器件。通过本项目的这些深入而细致的理论研究，将为分子自旋电子学的实验和应用研究提供一些理论依据和指导。

本项目按研究计划推进研究工作，并顺利完成预期目标。利用第一性原理计算和非平衡格林函数方法等理论手段，侧重研究了磁性单分子的结构和物性、分子的表面吸附特性、模型分子器件的电子结构和输运特性、基于单分子磁体的自旋电子器件设计、及负微分电阻器件设计等，在Phys. Rev. Lett.、Appl. Phys. Lett.、 Nanoscale、J. Chem. Phys.、J. Phys. Chem. C等国内外学术期刊发表致谢SCI论文23篇，重要研究结果或进展包括：(1). 与实验合作，基于碳四元环实现石墨烯分子条带中实现自旋量子通道转换 [Phys. Rev. Lett. 2016]；(2). 理论设计出双Fe核单分子磁体模型器件，在此模型器件中成功将自旋过滤效应和负微分电阻效应双功能集成 [Nanoscale 2016]。(3). 利用掺氮石墨烯纳米条带作为电极，在不同分子结中实现负微分电阻功能 [J. Chem. Phys. 2014]；(4). 利用扫描隧道谱学技术和第一性原理计算，首次证明了石墨烯中有序晶界存在范霍夫奇异性引起的VHS态 [Phys. Rev. Lett. 2014]; (5). 与实验合作，利用石墨烯覆盖的Ru(0001)表面CoPc分子轨道选择性设计单分子整理器 [Appl. Phys. Lett. 2013]; (6). 基于Mn@Au6磁性金属团簇，设计出具有自旋过滤效应的模型分子器件 [Chem. Phys. Lett. 2013]; (7). 在分子尺度通过维度调控或掺杂实现无金属体系的半金属性 [J. Phys. Chem. C 2014]等。显然, 这些研究结果为分子自旋电子学的实验和应用研究提供有意义的理论依据和指导。此外，在项目执行期间，团队成员参加国内外学术研讨会13人次，培养博士5名，硕士2名，本科毕业论文设计8人，目前在读博士研究生9人。