自组装磁性分子器件自旋相关电子输运机理与设计 (四)

Self-assembled magnetic molecular devices have become a forefront research topic due to novel physical properties observed in them, and prospective and potential applications in electronic devices. In this project, based on the nonequillibrium Green''s functions transport theory, quantum chemical computation, as well as molecular dynamics, we will develop both physical models and computational methods, and investigate the spin-dependent electronic transport properties in self-assembled magnetic molecular devices, and focus on (i) developing computational methods to study the spin-dependent interaction between molecules and electrodes, and between molecules; (ii) the spin effects on structural reorganization and electronic transport properties in molecular devices; and (iii) the design of spin-dependent molecular devices with multiple and fast response to the electric field by molecular engineering such as modification of molecule, tailoring molecule, and so on. Our goal is to explore at the molecular or atom level the mechanism for spin-dependent electronic transport in self-assembled magnetic molecular devices, and then to design some molecular devices with novel structures and high performance theoretically.

针对具有重要理论意义和广泛应用前景的自组装磁性分子器件，以非平衡格林函数输运理论和从头计算的量子化学计算为基础，结合分子动力学，发展物理模型和计算方法，研究自组装磁性分子器件中自旋相关电子输运机理及器件性能调控。重点研究如下问题：（1）从理论上建立能有效描述分子与电极、分子与分子之间的自旋相关相互作用的计算方法；（2）研究自旋相关电荷通过分子传输过程中的结构重整与传输机理；（3）通过分子裁剪、分子修饰等分子工程，设计自旋调控的分子器件，实现对外场的多重响应和快速响应。旨在从原子、分子层次揭示自组装磁性分子器件中的自旋相关电子传输机理，从原理上设计具有新型结构和功能的分子电子器件和分子自旋电子器件。

自组装磁性分子器件自旋相关电子输运性质是分子电子学领域的前沿研究主题。与普通分子器件不同，存在自旋效应的自旋分子器件的电极材料或中心分子是有磁性的，自组装分子体系中的自旋效应相比普通自旋效应更具优越性，对其开展研究具有重要科学意义和广泛应用前景。然而，有关自组装磁性分子器件自旋相关电子传输机理，远远没有弄清楚。本项目基于量子输运理论和从头计算的量子化学计算方法系统地研究了自组装磁性分子器件自旋相关电子输运机理， 获得了一些具有重要科学意义的成果，主要有：（一）建立了基于自组装磁性分子器件电子传输性质的物理模型，系统研究了分子与电极间相互作用，多分子器件中的分子间相互作用，特别是自旋对器件电子输运性质的影响。主要结果有：（1）锰卟啉分子器件自旋过滤与磁开关机理研究；（2）基于石墨炔纳米带分子器件自旋过滤与磁阻机理研究；（3）基于石墨烯纳米带单分子p-n结整流机理研究；（4）对称性破缺实现和调控分子器件负微分电阻和整流效应；（5）价带带阶驱动增强核壳纳米线空穴输运机理研究；（6）磁量子点调控石墨烯纳米带带隙等。（二）研究了分子器件自旋过滤、磁阻、磁性分子开关、分子整流等物理效应的形成机理，系统探索了这些物理效应与器件微观结构的关系，设计了一系列具有自旋过滤、巨磁阻、整流、磁开关等优异电学性能的磁性分子器件，研究了其工作原理以及提高性能的可能条件，我们也探索了多功能、与外场快速响应的磁性分子器件。主要结果有：（1）石墨烯-硼氮纳米带异质多层结构自旋过滤效应与调控;(2)超分子自旋阀自旋过滤与磁阻效应的实现与调控；（3）基于碳链的自旋器件反常电导和完美的自旋过滤行为;（4）基于ZMP分子的多功能分子器件设计与机理研究;（5）电子边缘态调控锯齿型石墨烯纳米带热电性质;（6）石墨炔纳米带热电性能声子调控机制；（7）纳米线和纳米管中一种新的热与电转换机制等。总之，通过本项目研究，我们对自组装磁性分子器件自旋相关电子传输机制及其器件的性能调控方法有了一个比较系统深入的认识。