论文部分内容阅读
自旋电子学器件利用电子的自旋属性实现了更高效率的信息存储、传递和处理。近年来自旋电子学领域发展迅猛,其核心关键科学问题是自旋的有效注入、长距离的自旋极化输运、自旋取向的检测和调控。当前自旋电子学大部分研究内容集中在巨磁电阻效应、隧穿磁电阻效应、自旋转移力矩效应等,其中,基于隧穿磁电阻效应的磁性隧道结被广泛应用到自旋电子学器件中。分子自旋电子学,将分子电子学与自旋电子学有机结合起来,从分子出发,通过自下而上的方法可以构建出功能型、低能耗分子自旋电子器件。在本博士学位论文,主要采用密度泛函理论计算结合非平衡格林函数的方法,研究了自旋翻转单核Fe（Ⅱ）分子结的自旋极化输运性质,发现分子结在外电场作用下同时具有分子开关和自旋过滤效应,而施加温度梯度后,体系呈现出热自旋过滤和负微分热阻;提出了双极性磁性分子概念,在门压调控下可实现不同自旋通道100%自旋极化输运;基于BMMs分子设计出自旋热电子学器件,通过门压调控实现热自旋过滤和纯自旋流;构建出两个三明治夹心结构磁性隧道结,它们均具有显著的隧穿磁电阻比。具体研究内容如下:（1）在外电场、光、热和压力等调制下,高自旋和低自旋态之间可以可逆切换,具有磁双稳态的自旋翻转化合物被认为是构建分子自旋电子器件一类最有潜力的候选材料。为此,我们研究了自旋翻转单核Fe（Ⅱ）分子结在外加偏压和温度梯度下的自旋极化输运特性。理论计算表明,在小偏压范围内,通过具有高自旋（HS）态的分子结的电流显著大于低自旋（LS）态,使得体系具有分子开关效应。对于具有HS态的分子结,其电流由下自旋电子主导,导致了显著的自旋过滤效应。计算HS态的分子结在温度梯度驱动下产生的自旋热电流时,观察两个有趣的自旋热电子输运特性-热自旋过滤和纯自旋流。此外,这些电驱动和热驱动的自旋极化输运特性对分子与电极之间界面构型不是很敏感,这非常有利于实验研究。这些研究表明自旋翻转Fe（Ⅱ）化合物在分子自旋电子学和自旋热电子学中具有很大的应用前景。（2）在分子自旋电子学领域,迫切需要在单分子尺度用电场来调控器件的自旋极化输运通道,为此,我们提出了双极磁性分子（bipolar magnetic molecules,BMMs）概念。BMMs具有独特的分子前线轨道,其最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）来自两个不同的自旋通道。通过改变门压方向,可以将基于BMMs的单分子器件的费米能级可逆地调至HOMO或LUMO处,在单分子水平上实现自旋通道的可控切换,获得不同自旋通道100%自旋极化电流。利用过渡金属配合物分子中配体和配位模式的多样性和易调节性,经过理性设计和筛选,我们成功地找到了九个潜在的BMMs,相应的自旋极化输运性质计算结果证实了 BMMs概念及其自旋通道可逆调控的可行性。这一研究不仅提出了新的BMMs概念,也表明BMMs是未来实验上构建分子自旋电子学器件的一类非常潜力的候选材料。（3）为了验证BMMs应用于自旋热电子学的可能性,基于前一个工作中筛选出 2 个的 BMMs,即 Vphen2NCS2（phen=1,10-Phenanthroline）和 Vbtz2NCS2（btz=2,2’-Bi-4,5-dihydrothiazine）,我们设计出单分子自旋热电子模型器件。理论计算结果表明,通过改变门压（VG）的大小,分子结在外加温度梯度时可以产生近乎完美的热自旋过滤效应和自旋塞贝克效应（SSE）,源自BMMs的HOMO和LUMO来自两个不同的自旋通道。当外加门压将分子结费米能级位置调整到HOMO和LUMO之间的某一位置处,施加温度梯度后,观察到纯的自旋流通过分子结,而当改变门压大小,将体系费米能级位置调至HOMO或LUMO处,则获得自旋上或自旋下电子主导的热电流。这些研究表明BMMs是构建自旋热电子学器件一类有潜力的候选材料,也为实验上操控单分子自旋热电性能提供了有指导意义的理论策略。（4）由于在自旋电子学中具有广阔应用前景,具有高隧穿磁电阻比的磁性隧道结正引起人们的研究兴趣。为此,我们构建出两个具有周期性的三明治夹心结构磁性隧道结（MTJ）,并对其自旋极化输运特性进行了理论研究。利用赫斯勒合金材料Co2MnSi作电极和半导体材料SrTiO3作隧障设计出第一个MTJ,发现体系处于平行磁化状态（PC）和反平行磁化状态（APC）时的零偏压透射谱差别极大,在费米能级附近,APC的透射系数要远远小于PC,体系的隧穿磁电阻比（TMR ratio）高达107。通过分析态密度和输运函数等计算结果,发现体系的巨隧穿磁电阻比源自Co2MnSi电极的半金属性及界面处Ti原子3d轨道的自旋极化。基于二维铁磁材料Fe3GeTe2,搭建出第二个MTJ-将Fe3GeTe2/h-BN/Fe3GeTe2范德华异质结夹在两个金电极之间,零偏压下体系的隧穿磁阻比值的理论计算值约为240%,略大于实验值。有趣的是,基于不同的磁组态,第二个MTJ可设计出简单逻辑器件。以上的这些研究,为将来分子自旋电子学、自旋热电子学和自旋电子学器件的设计和输运性能调控等实验和应用研究提供有指导意义的理论研究基础。