基于自旋轨道耦合和超精细相互作用的有机磁效应理论研究

Organic spintronics has attracted much attention of scientific community due to their intriguing mechanism of organic magnetic effect. The organic magnetic effect may relate to the spin-related interaction which originates from the spin-orbit coupling or hyperfine interaction caused by hydrogen nuclei etc.; however, there have been very few quantitative researches by far. Based on quantum transport picture, this proposed project will systematically investigate the effect of spin-related interaction on the basic properties of orgnic materials and the spin-dependent transport in organic functional devices. The detailed contents are shown as the following: study the spin polarization and dynamical relaxation process of carriers in organic small molecule materials considering the spin-orbit coupling and hyperfine interaction separately, build the model of organic functional devices, expand Green's function fomula and Landauer-Büttiker transport theory under two-current model and calculate the magnetoresistance. The proposed project would have great theoretical significance for comprehending the mechanism of organic magnetic effect, guide the development and application of organic funtional device, and promote the development of organic spintronics.

有机自旋电子学是当前非常活跃的研究领域，有机磁效应的产生机制一直是该领域的研究热点。有观点认为自旋轨道耦合和氢核超精细相互作用可能是产生有机磁效应的原因，但目前关于这方面的定量研究还相对较少。本项目将基于量子输运图像，系统地研究自旋相关的相互作用对有机材料基本性质及其器件输运性质的影响，具体内容包括：考虑自旋轨道耦合和氢核超精细相互作用的影响，研究有机小分子材料中载流子的自旋极化及其在外场下的动力学弛豫过程；构造有机功能器件模型，拓展二流体模型下的格林函数公式和朗道输运理论，计算磁电阻。该项目的实施对于理解有机磁效应的物理机制具有重要的理论意义，对外场调制的有机功能器件的开发与应用具有指导意义，有助于推动有机自旋电子学领域的发展。

本项目采用扩展的Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型研究了准一维有机体系的自旋极化，自旋输运等问题。. 考虑自旋-轨道耦合的SSH模型，我们研究了准一维有机材料极化子的自旋极化。结果显示，极化子被部分自旋极化，在自旋极化形成过程中电子间相互作用和自旋轨道耦合作用相互竞争。此外，自旋极化与电声子耦合作用的关系也被发现。. 采用考虑主链和侧基之间的电子跳跃和自旋关联的SSH模型，我们研究了准一维有机铁磁体poly-BIPO的自旋激发问题，系统研究了在单自旋激发和自旋畴激发情况下，poly-BIPO中的晶格，电荷密度和自旋密分布。侧基自旋激发引起了poly-BIPO主链的晶格畸变，电荷密度分布局域化，和自旋密度缺陷。基于对不同自旋电子态的计算，我们预测由自旋激发引起的一个峰值将会出现在有机铁磁体poly-BIPO的态密度中。. 我们的研究结果阐明了准一维有机材料的自旋极化与极化子局域化的关联关系，对研究有机材料的磁效应提供了指导意义；清楚了poly-BIPO中的自旋激发，这加深了对有机材料元激发的理解，对自旋器件的设计有重要意义。