物理科学与技术学院理论物理课题组在二维碳基分子器件磁输运中取得进展

开云电竞（中国）责任有限公司理论物理课题组与华中科技大学高国营副教授在二维材料磁输运理论研究方面展开合作。近日，在Physical Chemistry Chemical Physics（SCI二区top期刊，IF=3.945）发表了题为Perylene-based molecular device: multifunctional spintronic and spin caloritronic applications (二萘嵌苯分子器件：多功能自旋电子学和自旋热电子学的应用)的理论研究论文。吴旭明博士为第一作者，我校为第一作者单位。  

自旋电子器件（Spintronics）与传统电子器件截然不同，它可以利用电子自旋自由度作为媒介传播信息，具有响应速度快、功耗低和集成度高等优势，在随机磁存储器、光电传感器和量子计算机等领域有广泛的应用。自2004年石墨烯被发现以来，基于石墨烯的二维材料因其卓越的电学性质备受关注，为新型纳米自旋电子器件的研发提供了理想材料。但由于石墨烯等二维材料大多数不具有磁性，限制其应用于磁隧道结和自旋阀等自旋电子器件。因此，基于石墨烯自旋电子器件的磁性调控机制以及自旋和热自旋输运机理问题成为目前凝聚态等领域的研究热点。

图1. Perylene有机分子器件构型

研究团队基于锯齿形的石墨烯纳米带(ZGNR)、碳单原子链和Perylene有机分子构建了一种新型二维隧道结纳米器件（图1）。该工作通过密度泛函理论结合非平衡态格林函数方法，系统研究了Perylene有机分子在自旋平行(PC)和自旋反平行(APC)两种磁态下的自旋和热自旋输运性质，并获得丰富的输运特性。

图2. 自旋依赖的电流-电压图以及整流效应、巨磁阻和零偏压输运谱

(1) 偏压下自旋输运

研究发现该分子器件在外加偏压调控下表现出高效的自旋过滤效应和双向自旋过滤效应（PC: 68%，APC: 100%）（图2）；负微分电阻效应；自旋依赖的二极管效应，其整流效应高达10⁵；同时可利用自旋流平台特性设计出奇特的自旋方波信号；可获得高达10⁸%的巨磁阻效应(该阈值高于大部分其他构型的分子器件)；利用电子能带结构、输运谱、电子局域态密度、电子本征波函数分布（图3）以及分子投影自洽哈密顿量等对这些效应进行了系统的分析并得到了证实。

图3. 不同偏压下价带和导带电子的本征波函数分布图

(2) 温度梯度驱动的热自旋输运

研究发现该分子器件具有完美的自旋塞贝克效应、热自旋过滤效应(95%)和热致巨磁阻效应(10⁵%-10⁹%)；研究团队还发现通过改变温差和偏压可以实现对该器件自旋热电优值ZT_sp和电荷优值ZT_ch的有效调控，其值分别可达90.0和36.5，表明该器件不仅能获得高效的自旋输运特性还能实现废热回收，从而进一步降低器件热损耗。并利用费米-狄拉克分布、热电系数包括塞贝克系数、电子电导、电子热导和晶格热导等对以上特性的产生进行了系统的分析。

该项研究工作为基于二维材料的新型自旋电子学器件的设计提供了系统的理论依据。

研究得到了国家自然科学基金面上项目、广东省青年创新人才基金项目、广东高校重点科学研究平台项目和岭南师范学院人才项目的资助。

特别感谢国家自然科学基金委、广东省教育厅和岭南师范学院的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D2CP05926F