铬卟啉分子器件自旋电子输运性质研究

论文摘要

对分子器件电子自旋输运性质的模拟及调控,已经成为分子自旋电子学的主要研究方向之一。基于电子自旋禀性,可以设计具有自旋过滤、自旋阀和分子开关等功能的电子自旋分子器件。卟啉分子因具有环型共轭平面结构,内环中心可与金属配位生成金属卟啉而广受研究者青睐。本文基于第一性原理计算方法,对分子连接构型和过渡金属原子替代的铬卟啉分子电子自旋输运特性进行了计算分析和研究,得到了自旋过滤、开关效应等有趣的电子输运性质。主要研究内容如下:第一章简单介绍了硅基半导体工艺发展的局限性和分子器件研究进展以及分子整流效应、负微分电阻效应、自旋过滤效应等电子输运性质,介绍了苯分子和卟啉分子及酞菁分子结构与理论研究现状。第二章介绍了第一性原理计算方法,对本文研究相关软件进行了简要介绍。第三章研究了铬卟啉分子四种连接方式(β位对角连接、β位和中位错角连接、β位顶角连接、中位水平连接)与平面金电极组成双探针体系的电子自旋输运性质。研究结果表明,对角连接铬卟啉分子在(0~0.4V)偏压区间内电子自旋极化率为87%,在(0~0.2V)偏压区间内电子自旋极化率甚至高达95%以上;错角连接铬卟啉分子在(0~0.34V)偏压区间电子自旋极化率仅为85%,这两种连接构型都表现出电子自旋向下的金属导电行为和自旋向上被抑制,器件呈现半金属性。水平连接构型的铬卟啉分子电子自旋都呈金属线性导电行为,相比其它连接构型有着优异的导电性能,电流比对角连接高约1个数量级。从前线分子轨道能量值和能量差可知,改变铬卟啉分子连接构型,不会改变铬卟啉分子的半导体导电本质。可以通过改变中心分子不同末端原子连接构型,改变前线分子轨道空间分布的离域程度,从而实现自旋过滤效应,进而对基于不同连接构型的铬卟啉分子器件电子自旋输运性质进行有效调控。第四章研究了用同源过渡金属(钴、锰、钒)替代铬金属原子与卟啉分子络合成金属卟啉分子器件(钴卟啉、锰卟啉、钒卟啉和铬卟啉)电子自旋输运性质。研究结果表明,对角连接的金属卟啉在低偏压下都存在着不同程度的自旋过滤现象。投影到金属原子和金属卟啉分子所有原子的投影态密度波峰出现的能量点基本一致,说明中心替代金属原子的3d轨道能级与卟啉大环之间相互作用引起分子轨道能级重新分布,表现为金属卟啉分子的前线分子轨道能量值差异极大,能量差也不一样;从前线分子轨道投影自洽哈密顿量空间分布分析,金属卟啉分子与电极的耦合很强,其耦合程度由强变弱依次是锰卟啉、钴卟啉和钒卟啉以及铬卟啉。钴卟啉分子电子自旋向下在外加偏压为0.2V时呈现出一个显著的开关行为,金属卟啉的导电能力由强到弱依次是钒卟啉、锰卟啉和钴卟啉及铬卟啉。通过改变中心替代金属原子,来改变前线分子轨道能量值和能量差,使靠近费米能级附近的输运透射系数差别值增大,自旋向上的电子与自旋向下的电子呈现出不同的伏安特性,从而有效调控金属卟啉分子的电子自旋输运性质。第五章是对全文的工作进行总结和展望。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李美华

导师: 叶伏秋

关键词: 分子器件,铬卟啉分子,电子自旋输运,分子连接构型,自旋过滤效应,金属卟啉

来源: 吉首大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 吉首大学

基金: 国家自然科学基金(11602094)

分类号: O469

DOI: 10.27750/d.cnki.gjsdx.2019.000091

总页数: 50

文件大小: 3286K

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