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电子既有电荷又有自旋。以电子电荷为基础的微电子学在二十世纪取得了巨大成功,但是在传统的微电子器件中,电子的自旋却一直被人们忽视,电子只被看成电荷的载体。但是在金属自旋阀中巨磁电阻(GMR,Giant Magneto Resistance)和隧道磁电阻(TMR,Tunneling MagnetoResistance)效应的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命,并由此产生了围绕电子自旋的控制、输运、测量等的一门全新的学科一自旋电子学(Spintronics)。
有机自旋电子学正是以自旋电子学为基础,将视角转向了有机材料,来开发有机分子材料中的自旋相关特性。有机材料相比于无机材料,有一些非常突出的优势。例如:密度小,重量轻,不易氧化,易于加工成型等等。有机半导体还具有丰富的电学、光学和磁学特性,并且已经在有机发光器件OLED(Organic Light Emitting Diodes)、显示器等方面取得了很大的应用。而且由于自旋一轨道相互作用比较弱,有机半导体成为自旋输运的最佳候选材料之一。所以开发有机磁性材料在分子器件中的应用将是自旋电子学的下一个研究热点。研究有机磁性分子材料的输运对进一步理解有机材料的物理性质,探讨其在自旋电子学及生命系统中的功能和应用具有重要的科学意义。
本文基于目前本实验组关于一种典型的有机铁磁性材料poly-BIPO分子的理论研究,对其在分子器件的应用作了一些理论的探讨。我们针对有机半导体特殊的载流子电荷-自旋关系,将这种分子和金属电极合成三明治的器件结构。通过扩展的SSH模型和平衡格林函数方法,给出了这种有机磁性分子器件的电流的自旋极化特性。并且对整个体系的输运性质做一些研究和探讨,并讨论有关因素对其的影响,借此进一步研究这种有机铁磁材料的磁特性。我们首先考察了以这种分子材料做成的器件的自旋极化电流,看其是否具备开发成自旋分子器件的潜质。接下来,我们先对影响分子器件的电流输运性质的基本因素做一些简单的探索,看看哪些可以成为影响分子器件电流最重要的因素。我们发现主链和自由基的耦合系数J<,f>,电子一晶格相互作用能α,界面耦合系数t<,ur>还有自由基的自旋方向等都会对这种器件的输运性质产生影响。最后,我们重点讨论了一下这种有机分子材料中侧基的自旋方向会对器件输运性质的影响。因为poly-BIPO的侧基的剩余自旋是使这种材料产生磁性的原因。我们发现,侧基的剩余自旋方向的改变确实会对器件的电流产生很大的影响。通过不同的改变,我们甚至可以做到从100﹪正极化电流通过器件而到100﹪负极化电流的电子器件。而且我们注意到侧基的自旋很大程度上会因为外界条件的改变而改变,这给我们做量子控制的科研工作者提供了一个很好的方向,可以通过控制侧基的自旋来达到控制分子器件电流的目的。