有机金属苯环复合物的自旋输运性质

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随着超大规模集成电路的发展逼近极限,摩尔定律已经开始逐步失效。为了应对这一世界性问题,考虑了量子效应的分子电子学得到了蓬勃发展,对分子材料的开发和理论研究吸引了科学家们的兴趣。尤其是以石墨烯为首的拓扑绝缘体材料的发现和应用,低维材料得到了人们广泛的关注。石墨烯、锡烯等二维材料,以及碳链、多层茂环复合物等一维材料已经有了许多实验和理论上的研究。  作为低维分子材料,有机金属苯环复合物具有丰富的结构和性质,虽然早已在实验中制备出来,但是还缺乏足够的理论研究。本文运用非平衡格林函数结合密度泛函理论的第一性原理方法研究了有机金属苯环复合物的电、磁和热电性质。考虑从钪到钴七种过渡金属与苯环的复合物(M(Bz)2,M=Sc~Co),并将它们与金纳米线连接,形成分子结。按照复合物与纳米线的不同接触方式,我们将分子结分为T型和H型两种接触构型。我们利用 GAMESS软件计算了独立分子的性质,分子结的性质则用Atomistix ToolKit(ATK)软件包进行计算。  首先我们研究了Fe(Bz)2与金纳米线接触形成的分子结。Fe(Bz)2具有高低两种自旋态,两种自旋态之间的能量差较大。通过接触金电极纳米线,发现T型接触依旧存在两种自旋态,而 H型接触则只有一种低自旋态。研究两种接触在不同自旋态下的输运性质发现,H型接触的I/V曲线是自旋无关的,而T型接触的I/V曲线则与分子本身的自旋态有关。同时对于T型接触,在高自旋态下,分子结具有良好的自旋过滤效应以及热电效应。对比T型接触高自旋态和低自旋态的电流曲线,我们发现,低自旋态下的电流要明显大于高自旋态下的电流。通过深入分析,我们发现Fe原子的dxz和dyz电子在输运过程中起了主导性地位,影响了不同接触和不同自旋态的输运性质。  然后,我们研究了从钪到钴全部过渡金属与苯环构成的复合物性质。首先计算了这些有机金属复合物的磁性,发现分子磁性是随着配位金属原子序数的增加交替出现的。为了验证苯环对磁性的影响,我们以Cr(Bz)2为例,计算了苯环间距对磁矩的影响,发现在分子稳定结构附近的苯环间距改变不会对分子磁性产生影响。接下来研究了所有金属苯环复合物在两种接触下形成的分子结的输运性质,其中 H型接触具有较高的结构对称性,H型接触中自旋过滤效应的出现和分子磁性的出现相一致,同时具有自旋过滤效应的分子结也展现了不同程度的塞贝克效应。计算还发现,当配位金属原子序数小于锰的序数时,对应的金属复合物的两种结构都出现了负微分电阻效应。  综上,我们研究了一系列有机金属苯环复合物的输运性质,并讨论其多种输运特性的成因。利用这些分子的多功能特性,有希望制备出新一代的多功能分子自旋电子器件,在分子电路中有着重要的应用前景。
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