分子器件在最近几十年里发展迅速。迄今为止,科学家们通过理论和实验的方法已发现了许多具有特殊功能的分子器件,它们是未来电子元器件的替代者。关于分子器件的设计,目前研究主要在于中心分子的选择、分子与电极的链接以及内外因素对器件的影响,其中如何选择中心分子和链接分子与电极又是其重点。本文采用第一性原理的研究方法,研究了金属卟啉分子器件的自旋输运性能。提出通过改变金属卟啉的中心金属离子、卟啉分子与电极的链接方式来改善分子器件的自旋传输性能。主要研究内容如下:(1)通过研究不同金属(Mn、Fe、Co、Cu)卟啉二聚体分子器件的自旋输运性能,我们发现该研究中所有金属卟啉二聚体分子器件在石墨烯纳米带电极为铁磁态时均表现出优异的自旋过滤行为,自旋过滤效率接近100%。该研究中每个金属卟啉二聚体分子器件均表现出可观的巨磁阻效应,磁阻率高达107%,且随偏压增大而增大。这些研究成果对未来双功能分子器件的设计具有重要的指导作用。(2)构建血红素/石墨烯异质结。自旋输运计算发现电极铁磁态时异质结呈现出优异的自旋过滤效应,且自旋过滤系数依赖于血红素分子的自旋设置。另外血红素分子的高自旋态和低自旋态转变会引起异质结的自旋电流发生翻转,低自旋态异质结表现出自旋整流现象,整流比最高为7.3。结果表明分子的自旋对器件的自旋输运性能有影响,这对今后分子器件的研发有一定的指导作用。金属卟啉通过共价键和范德华力分别与石墨烯纳米带电极相互作用,形成分子器件。器件的自旋输运性质研究发现,两种连接方式形成的器件中,自旋电子的传输路径不同。共价连接的分子器件中自旋电子的输运通道主要是金属卟啉的π共轭结构,而范德华力相互作用的分子器件中自旋电子大部分经过卟啉分子中的金属离子进行传输。结果表明分子与电极的相互作用对器件的自旋输运性质会产生一定的影响,对后面分子器件的设计提供了参考。