陳偉 陳潤峰 李永濤 俞之舟 徐寧 卞寶安 李興鰲? 汪聯(lián)輝?

1)(南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023)

2)(南京郵電大學(xué)理學(xué)院,信息物理研究中心,南京 210023)

3)(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京 210023)

4)(鹽城工學(xué)院數(shù)理學(xué)院,鹽城 224051)

5)(江南大學(xué)理學(xué)院,無錫 214122)

基于石墨烯電極的Co-Salophene分子器件的自旋輸運(yùn)?

陳偉1)2)陳潤峰1)李永濤2)俞之舟3)徐寧4)卞寶安5)李興鰲1)2)?汪聯(lián)輝1)?

1)(南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023)

2)(南京郵電大學(xué)理學(xué)院,信息物理研究中心,南京 210023)

3)(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京 210023)

4)(鹽城工學(xué)院數(shù)理學(xué)院,鹽城 224051)

5)(江南大學(xué)理學(xué)院,無錫 214122)

采用基于非平衡格林函數(shù)結(jié)合第一性原理的密度泛函理論的計(jì)算方法,研究了基于鋸齒型石墨納米帶電極的Co-Salophene分子器件的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì).計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)左右電極為平行自旋結(jié)構(gòu)時(shí),自旋向上的電流明顯大于自旋向下的電流,自旋向下的電流在［?1 V,1 V］偏壓下接近零,分子器件表現(xiàn)出優(yōu)異的自旋過濾效應(yīng).與此同時(shí),在自旋向上電流中發(fā)現(xiàn)負(fù)微分電阻效應(yīng).當(dāng)左右電極為反平行自旋結(jié)構(gòu)時(shí),器件表現(xiàn)出雙自旋過濾和雙自旋分子整流效應(yīng).除此之外,整個(gè)分子器件還表現(xiàn)出較高的巨磁阻效應(yīng).通過分析器件的自旋極化透射譜、局域態(tài)密度、電極的能帶結(jié)構(gòu)和分子自洽投影哈密頓量,詳細(xì)解釋該分子器件表現(xiàn)出眾多特性的內(nèi)在機(jī)理.研究結(jié)果對設(shè)計(jì)多功能分子器件具有重要的借鑒意義.

自旋輸運(yùn),分子器件,石墨烯納米帶

1 引 言

隨著電子科學(xué)的發(fā)展,傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體電子學(xué)正面臨著器件微型化的挑戰(zhàn).近年來,分子器件已逐步成為替代硅基電子學(xué)的有效替代品.分子器件具有體積小、高速運(yùn)轉(zhuǎn)、低功率消耗等特點(diǎn),受到越來越多研究者的關(guān)注［1?11］.特別是以單分子為基礎(chǔ)的自旋分子器件表現(xiàn)出許多有趣的物理性質(zhì),如自旋閥 ［12,13］、自旋二極管 ［14,15］、自旋開關(guān) ［16,17］、自旋晶體管［18］等.自從2004年實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)石墨烯以來［19］,由于其優(yōu)異的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì),受到了人們的廣泛關(guān)注［20,21］.石墨烯通過裁剪可以得到一維石墨烯納米帶,根據(jù)邊緣結(jié)構(gòu)可以分為扶手型石墨烯納米帶(AGNR)和鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNR).由于邊緣結(jié)構(gòu)不同,AGNR不具有磁性.而ZGNR具有三種磁性態(tài)，即鐵磁態(tài)(FM)、反鐵磁態(tài)(AFM)和非磁態(tài)(NM),其中AFM態(tài)為基態(tài)［22］.眾所周知,在一定的外磁場調(diào)控下,AFM態(tài)可以轉(zhuǎn)變?yōu)镕M態(tài)［23,24］.因此,ZGNR在自旋輸運(yùn)納米器件中具有巨大的應(yīng)用潛力.

在分子器件研究中,研究人員提出了許多理論方法來探討分子器件的電子輸運(yùn)機(jī)理.其中,非平衡格林函數(shù)(NEGF)結(jié)合密度函數(shù)理論(DFT)的第一原理方法被認(rèn)為是目前應(yīng)用最可靠和最廣泛的計(jì)算電子輸運(yùn)的方法［25,26］.基于該方法,各種具有許多新穎輸運(yùn)特性的分子器件已被廣泛報(bào)道［27?34］.最近,采用ZGNR作為電極的自旋分子器件引起了廣泛關(guān)注.比如,Chen等［31］研究發(fā)現(xiàn)夾在兩個(gè)ZGNR電極中Chromium porphyrin分子出現(xiàn)自旋過濾、自旋整流和負(fù)微分電阻等效應(yīng).Tan等［32］研究有機(jī)分子Zinc methyl phenalenyl(ZMP)吸附在ZGNR電極上的電子輸運(yùn)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)該器件出現(xiàn)自旋過濾和分子整流效應(yīng).Wu等［33］研究了基于ZGNR電極下Pyrene分子器件的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)該分子器件具有多重功能特性如自旋過濾、自旋整流、巨磁阻和負(fù)微分電阻等效應(yīng).Zhu等［34］研究發(fā)現(xiàn)自旋交叉Fe(tzpy)2(NCS)2分子在ZGNR電極中表現(xiàn)出多種自旋功能性質(zhì).因此,采用ZGNR電極并選擇合適的分子來實(shí)現(xiàn)具有多功能的自旋電子器件具有重要的意義.

在分子自旋電子學(xué)研究中,含有過渡金屬的有機(jī)分子已經(jīng)越來越多地被用來設(shè)計(jì)自旋分子器件［35?38］.An等［35］研究發(fā)現(xiàn)夾在金電極中的Mn(dmit)2分子表現(xiàn)出較好的自旋過濾效應(yīng).Zhou等［36］發(fā)現(xiàn)Cr-phthalocyanine分子在石墨烯電極下呈現(xiàn)出優(yōu)異自旋過濾效應(yīng),效率達(dá)到100%.Zhao等［37］研究發(fā)現(xiàn)Fe-oligoporphyrine二聚體在碳納米管電極下表現(xiàn)出高效磁阻、自旋過濾和負(fù)微分電阻等效應(yīng).含有Co金屬的有機(jī)分子Co-Salophene是一種類Salen金屬配合物,可用作氧還原催化劑和非線性光學(xué)材料［39,40］.最近發(fā)現(xiàn),Co-Salophene分子在分子自旋電子學(xué)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,被用來設(shè)計(jì)各種自旋分子器件［41,42］.Andrew等［41］用Co-Salophene分子組成的一維分子鏈沉積在金電極表面上,發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出Kondo效應(yīng).Bazarnik等［42］通過裁剪將Co-Salophene分子組裝成納米級的自旋分子器件.本文采用非平衡格林函數(shù)方法結(jié)合密度泛函理論,研究將單個(gè)Co-Salophene分子嵌入在ZGNR電極下的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì).左右ZGNR電極的自旋結(jié)構(gòu)可以通過外磁場進(jìn)行調(diào)控,整個(gè)器件的磁化設(shè)置為平行(P)和反平行(AP)自旋結(jié)構(gòu).P自旋結(jié)構(gòu)為左右電極具有相同的自旋方向,AP自旋結(jié)構(gòu)為左右電極具有相反的自旋方向.當(dāng)左右電極為P自旋結(jié)構(gòu)時(shí),該分子器件表現(xiàn)出優(yōu)異的自旋過濾效應(yīng),自旋向上還出現(xiàn)負(fù)微分電阻效應(yīng).當(dāng)左右電極為AP自旋結(jié)構(gòu)時(shí),該分子器件表現(xiàn)出雙自旋過濾和雙自旋分子整流效應(yīng).

2 模型與計(jì)算方法

圖1(a)給出了Co-Salophene分子嵌入在ZGNR電極下的分子器件結(jié)構(gòu)示意圖,整個(gè)分子器件分為左電極L、中心散射區(qū)C和右電極R.選擇寬度為N=6的ZGNR作為L和R電極［43］,中心散射區(qū)C包含Co-Salophene分以及左右電極的緩沖層,分子兩端通過兩個(gè)碳原子嵌入到兩側(cè)的ZGNR電極,連接方式采取五元環(huán)結(jié)構(gòu).在輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算中,采用基于非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論的ATK軟件包［25,26］進(jìn)行計(jì)算.交換關(guān)聯(lián)勢選為Perdew-Zunger局域自旋密度近似(LSDA),所有原子的軌道基函數(shù)選為雙極化基組(DZP).垂直于電子傳輸?shù)膬蓚€(gè)方向分別選擇15 ?的真空層來屏蔽周期近鄰的相互作用.自洽計(jì)算中,截?cái)嗄?mesh cut o ff)取值為150 Ry,Monkhorst-Pack的K點(diǎn)選為1×1×150,電子溫度設(shè)置為300 K,收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1×10?5eV.在計(jì)算輸運(yùn)性質(zhì)之前,先對分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算,然后再將分子組成器件進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化過程中使每個(gè)原子受力收斂達(dá)到0.05 eV/?.

根據(jù)Landauer-Büttiker公式［44］,計(jì)算器件的自旋極化電流為

其中σ表示電子的自旋方向,分別代表自旋向上和自旋向下;μL/R為左右電極的化學(xué)勢,分別取為μL=EF?eV/2和μR=EF+eV/2,EF是電極的費(fèi)米能級,在計(jì)算過程中EF設(shè)置為0;f(E?μL/R)為左右電極的費(fèi)米分布函數(shù).Tσ(E,V)是能量為E、偏壓V的某一種自旋的透射系數(shù),表達(dá)式為

其中ΓL/R(E)分別是左右電極的展寬矩陣,GR/A(E)分別是中心散射區(qū)的推遲和超前格林函數(shù).

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)Co-Salophene分子嵌入在ZGNR電極下的分子器件結(jié)構(gòu)示意圖,L,C和R分別代表左電極,中心散射區(qū)和右電極(灰色、白色、藍(lán)色、粉色和紅色球分別代表C,H,N,Co和O原子);(b)零偏壓下P和AP自旋極化差分密度分布(紫色代表自旋向上,淺藍(lán)色代表自旋向下)Fig.1.(color online)(a)The device of a Co-Salophene molecule attached to two ZGNR electrodes.L,C and R represents the left electrode,the central scattering region and the right electrode(C,gray;H,white;N,blue;Co,pink;O,red);(b)the spin charge density di ff erence for the P and AP spin con fi gurations under zero bias(the purple and light blue colors indicate the spin-up and spin-down components,respectively).

3 結(jié)果與討論

圖1(b)給出了零偏壓下兩種自旋結(jié)構(gòu)的自旋極化差分密度分布,其中紫色代表自旋向上,淺藍(lán)色代表自旋向下.從圖中可明顯看出,自旋極化態(tài)表現(xiàn)出較強(qiáng)的邊緣效應(yīng),即主要分布在ZGNR電極中的邊緣碳原子上.對于P自旋結(jié)構(gòu)下,分子中Co原子有明顯的態(tài)出現(xiàn);而對于AP自旋結(jié)構(gòu)下,Co原子上幾乎沒有態(tài)存在.圖2給出了兩種自旋結(jié)構(gòu)下的自旋極化電流-電壓曲線、分子整流效率、自旋極化效率和磁電阻比.從圖2(a)可見,當(dāng)左右電極采取P自旋結(jié)構(gòu)時(shí),兩種自旋的電流表現(xiàn)出明顯不同的輸運(yùn)行為.在整個(gè)偏壓范圍下,自旋向上的通道始終導(dǎo)通,而自旋向下的通道始終關(guān)閉.因此,在P自旋結(jié)構(gòu)下,分子器件表現(xiàn)出優(yōu)異的自旋過濾效應(yīng).從圖中還可以看出,自旋向上的電流在偏壓高于±0.3 V時(shí)開始出現(xiàn)下降,分子器件表現(xiàn)出負(fù)微分電阻效應(yīng).對于左右電極采取AP自旋結(jié)構(gòu),從圖2(b)可見分子器件的自旋極化的電流-電壓曲線與P自旋結(jié)構(gòu)下有所不同,自旋電流的大小比P結(jié)構(gòu)的自旋電流小一個(gè)量級左右.對于自旋向上通道,當(dāng)分子器件加正偏壓時(shí),其電流幾乎為零,說明自旋向上輸運(yùn)通道關(guān)閉.當(dāng)分子器件加上負(fù)偏壓時(shí),電流隨著偏壓的升高而增加,此時(shí)輸運(yùn)通道打開.對于自旋向下通道,電流的變化行為與自旋向上剛好相反.當(dāng)加正偏壓時(shí),輸運(yùn)通道打開.當(dāng)加負(fù)偏壓時(shí),輸運(yùn)通道關(guān)閉.因此,對于AP自旋結(jié)構(gòu)下,該分子器件在整個(gè)偏壓下表現(xiàn)出雙重的自旋過濾效應(yīng).對于每種自旋通道來講,分子器件又表現(xiàn)出自旋整流效應(yīng).自旋向上表現(xiàn)出反向整流效應(yīng),自旋向下表現(xiàn)出正向整流效應(yīng).AP自旋結(jié)構(gòu)下的分子整流效率(RR=|I(+V)|/|I(?V)|)在0.5 V時(shí)可以達(dá)到50.為了更好地描述分子器件的自旋輸運(yùn)性質(zhì),圖2(c)計(jì)算了自旋極化效率(SFE=(Iup?Idn)/(Iup+Idn)),Iup代表自旋向上的電流,Idn代表自旋向下的電流.零偏壓下的自旋極化效率是采用費(fèi)米能級處的自旋透射系數(shù)Tup和Tdn來計(jì)算.從圖中可見,P自旋結(jié)構(gòu)下的自旋極化效率在整個(gè)偏壓下達(dá)到100%.對于AP自旋結(jié)構(gòu)下,分子器件在偏壓小于0.3 V時(shí),自旋極化效率相對較小一些.當(dāng)偏壓增加到0.3 V以上,自旋極化效率也逐步接近100%.另外,我們還計(jì)算了分子器件的磁電阻比(MR=(IP?IAP)/IAP),其中IP為P自旋結(jié)構(gòu)的總電流,IAP為AP自旋結(jié)構(gòu)的總電流.零偏壓下的磁電阻比是采用費(fèi)米能級處的電導(dǎo)來進(jìn)行計(jì)算.從圖2(d)中看出,磁電阻比在零偏壓下可以達(dá)到70000%左右,該分子器件表現(xiàn)出較高的巨磁阻效應(yīng).

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a),(b)自旋極化電流-電壓曲線;(c)自旋極化效率;(d)磁電阻比Fig.2.(color online)(a),(b)Spin-resolved I-V curves;(c)spin fi lter efficiency;(d)magnetoresistance ratio.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)零偏壓下的自旋極化透射譜和費(fèi)米能級處的局域態(tài)密度 (a)—(c)P自旋結(jié)構(gòu);(d)—(f)AP自旋結(jié)構(gòu)Fig.3.(color online)The spin-resolved transmission and the local density of states(LDOS)at the Fermi level under zero bias:(a)–(c)P spin con fi guration;(d)–(f)AP spin con fi guration.

為了解釋兩種自旋結(jié)構(gòu)下的自旋輸運(yùn)性質(zhì),我們計(jì)算了在零偏壓下兩種自旋結(jié)構(gòu)的透射譜曲線,如圖3(a)和圖3(d)所示.根據(jù)電子輸運(yùn)理論,器件的電子傳輸能力主要取決于費(fèi)米能級附近的透射峰.對于P自旋結(jié)構(gòu),從圖3(a)中可見,自旋向上在費(fèi)米能級附近出現(xiàn)了一個(gè)比較寬的透射峰,而自旋向下則沒有透射峰存在.因此,自旋向上的電子在器件中進(jìn)行傳輸,而自旋向下的電子幾乎被禁止傳輸.這一點(diǎn)也可以從費(fèi)米能級處的局域態(tài)密度(LDOS)得到解釋,如圖3(b)和圖3(c)所示.從圖3(b)可以看出,自旋向上的LDOS分布整個(gè)分子和左右兩側(cè)的電極上,給自旋向上的電子提供一個(gè)良好的通道進(jìn)行傳輸.而從圖3(c)可以看出,自旋向下的LDOS主要分布在左右兩側(cè)電極上,中間分子幾乎沒有態(tài)存在,則無法給自旋向下的電子提供傳輸通道,導(dǎo)致自旋向下的電子就無法進(jìn)行傳輸.因此在P自旋結(jié)構(gòu)下,該分子器件出現(xiàn)優(yōu)異的自旋過濾效應(yīng).對于AP自旋結(jié)構(gòu),從圖3(d)可以看出,在費(fèi)米能級附近,自旋向上和自旋向下都沒有透射峰的存在,只是在遠(yuǎn)離費(fèi)米能級處有透射峰出現(xiàn),導(dǎo)致兩種自旋的電子的傳輸通道受到抑制,該點(diǎn)可以從費(fèi)米能級處的LDOS得到解釋,如圖3(e)和圖3(f)所示.自旋向上的LDOS分布在器件的右半部分,而自旋向下的LDOS分布在器件的左半部分.因此,兩種自旋的電子傳輸受到抑制,相應(yīng)的電流值也隨之變小,可以從圖2中的電流-電壓曲線得到驗(yàn)證.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)不同偏壓下的左電極能帶,透射譜線和右電極能帶(兩條藍(lán)色點(diǎn)線之間是偏壓窗口,黑短線代表自旋向上分子軌道,紅短線代表自旋向下分子軌道) (a),(b)P自旋結(jié)構(gòu);(c),(d)AP自旋結(jié)構(gòu)Fig.4.(color online)The band structure of left electrode(left panel),right electrode(right panel),and the transmission(middle panel)at di ff erent bias(the region between two dotted blue lines is the bias window,the short black line represents the spin_up molecular orbital and the red short line represents spin_down molecular orbital):(a),(b)P spin con fi guration;(c),(d)AP spin con fi guration.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)不同偏壓下的分子軌道MPSH態(tài) (a),(b)P自旋結(jié)構(gòu);(c),(d)AP自旋結(jié)構(gòu)Fig.5.(color online)The spatial distribution of MPSH molecular orbitals at di ff erent bias:(a),(b)P spin con fi guration;(c),(d)AP spin con fi guration.

為了進(jìn)一步闡明上述的自旋過濾和負(fù)微分電阻效應(yīng),圖4分別給出偏壓分別為0.3 V和0.5 V時(shí)P自旋結(jié)構(gòu)的ZGNR能帶結(jié)構(gòu)和散射區(qū)的透射譜,偏壓為±0.4 V時(shí)AP自旋結(jié)構(gòu)的ZGNR能帶結(jié)構(gòu)和散射區(qū)的透射譜.當(dāng)器件加正偏壓時(shí),左右電極的能帶移動方向相反,即左(右)電極能帶向下(上)移動.當(dāng)器件加負(fù)偏壓時(shí),左右電極能帶移動方向與正偏壓下的情況剛好相反.對于P自旋結(jié)構(gòu),零偏壓下左右電極的能帶結(jié)構(gòu)具有相同形式,左右電極能帶發(fā)生自旋極化產(chǎn)生π*能帶和π能帶［13,45］.π*能帶為偶宇稱對稱,π能帶為奇宇稱反對稱［46,47］.由于π*和 π能帶具有不同的對稱性,電子在兩者之間傳輸被禁止.但是電子可以在相同對稱性的能帶之間傳輸,即電子從一個(gè)電極的π*(π)帶可以傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電極的π*(π)帶.從圖4(a)可見,當(dāng)器件加上0.3 V偏壓后,左電極的能帶向下移動,而右電極的能帶向上移動.左電極的自旋向上的π*帶與右電極的自旋向上的π*帶發(fā)生匹配,并且在偏壓窗口內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)自旋向上的293級分子軌道,導(dǎo)致在偏壓窗口內(nèi)出現(xiàn)自旋向上的透射峰.同時(shí),在偏壓窗口內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)自旋向下的分子軌道即292和293.由于自旋向下的293級分子軌道出現(xiàn)在左電極的自旋向下π*帶和右電極的自旋向下π帶之間,根據(jù)π*帶和π帶具有相反宇稱對稱性,自旋向下的293級分子軌道對電子傳輸沒有貢獻(xiàn).圖5給出了偏壓窗口內(nèi)的分子軌道的投影自洽哈密頓量(MPSH)本征態(tài)［48］.MPSH態(tài)可以直觀地描述分子軌道對透射的貢獻(xiàn),并且也可以直觀地說明分子和電極的耦合強(qiáng)度.如果MPSH態(tài)離域分布在整個(gè)分子器件中,說明分子與電極耦合強(qiáng)度強(qiáng),則有利于電子傳輸.反之,如果MPSH態(tài)局域在分子器件的某個(gè)區(qū)域,說明分子與電極耦合強(qiáng)度弱,則不利于電子傳輸.從圖5(a)可以看出,自旋向上的293級分子軌道的MPSH態(tài)離域分布在整個(gè)分子器件中,為自旋向上的電子提供一個(gè)傳輸通道,在偏壓窗口內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)寬且強(qiáng)的透射峰.根據(jù)Landauer-Büttiker公式,自旋向上出現(xiàn)較大的電流.雖然,自旋向下的292級分子軌道出現(xiàn)在左電極的自旋向下π帶與右電極的自旋向下π帶之間,但是自旋向下的292級分子軌道的MPSH態(tài)局域分布在右電極區(qū)域,導(dǎo)致該自旋通道關(guān)閉.因此,自旋向上的電流遠(yuǎn)大于自旋向下的電流,器件表現(xiàn)出優(yōu)異的自旋過濾效應(yīng).如圖4(b)所示,當(dāng)偏壓增加到0.5 V后,左(右)電極的能帶繼續(xù)向下(上)移動.在偏壓窗口內(nèi),三個(gè)自旋向下的分子軌道(292,293和294)由于出現(xiàn)在左電極的自旋向下π*帶和右電極的自旋向下π帶之間.由于π*帶和π帶的對稱性不匹配,導(dǎo)致自旋向下通道關(guān)閉.而在左電極自旋向上π*帶和右電極π*帶匹配之間出現(xiàn)兩個(gè)自旋向上的分子軌道(293和294)提供通道來傳輸電子.同時(shí)從圖5(b)看出,自旋向上293分子軌道的MPSH態(tài)主要分布在左電極和分子上,右電極分布相對較少.自旋向上的294分子軌道的MPSH態(tài)主要分布在右電極和分子上,左電極分布相對較少.這兩個(gè)MPSH態(tài)分布比圖4(a)中的自旋向上293級分子軌道的分布相對局域一些,引起較小的自旋向上的透射峰,使得自旋向上的電流變小,導(dǎo)致負(fù)微分電阻效應(yīng)出現(xiàn).負(fù)微分電阻效應(yīng)在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景,包括快速開關(guān)、高頻震蕩和放大器［49?51］等.

對于AP自旋結(jié)構(gòu),從圖4(c)可以看出,當(dāng)器件加上0.4 V偏壓后,左電極的能帶向下移動,而右電極的能帶向上移動.有四個(gè)自旋向上的分子軌道(290,291,292和293)出現(xiàn)在偏壓窗口內(nèi),并且四個(gè)分子軌道出現(xiàn)在左電極的自旋向上π*帶和右電極的自旋向上π帶之間.根據(jù)自旋向上π*帶和右電極的自旋向上π帶的對稱性不匹配,因此這四個(gè)分子軌道無法給電子提供輸運(yùn)通道.對于自旋向下,兩個(gè)分子軌道(293和294)出現(xiàn)在偏壓窗口之間,而且該兩個(gè)分子軌道出現(xiàn)在匹配的左電極的自旋向下π*帶和右電極的自旋向下π*帶之間.同時(shí),從圖5(c)可見,兩個(gè)分子軌道的MPSH態(tài)都離域分布在整個(gè)分子器件中,導(dǎo)致在偏壓窗口內(nèi)出現(xiàn)自旋向下的透射峰.因此,自旋向下的電流遠(yuǎn)大于自旋向上的電流.從圖4(d)可見,當(dāng)器件加上?0.4 V偏壓后,左電極的能帶向上移動,而右電極的能帶向下移動.對于自旋向上,有兩個(gè)分子軌道(293和294)出現(xiàn)在偏壓窗口之間,且這兩個(gè)分子軌道出現(xiàn)在匹配的左電極的自旋向上π*帶和右電極的自旋向上π*帶之間,圖5(d)中相應(yīng)的分子軌道的MPSH態(tài)離域分布在整個(gè)分子器件中,因此自旋向上的通道打開.而對于自旋向下,四個(gè)自旋向下的分子軌道(290,291,292和293)出現(xiàn)在不匹配的左電極的自旋向下π帶和右電極的自旋向下π*帶之間,導(dǎo)致自旋向下的通道關(guān)閉.在偏壓窗口中只有自旋向上的透射峰而無自旋向下的透射峰,使得自旋向上電流遠(yuǎn)大于自旋相下的電流.因此,在AP自旋結(jié)構(gòu)下該分子器件表現(xiàn)出雙自旋過濾和雙自旋分子整流效應(yīng).

4 結(jié) 論

本文采用非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論的第一性原理方法,系統(tǒng)研究了Co-Salophene分子器件的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì).計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)左右電極采取P自旋結(jié)構(gòu)時(shí),自旋向上的電流遠(yuǎn)大于自旋向下的電流,器件表現(xiàn)出優(yōu)異的自旋過濾效應(yīng),其自旋極化效率達(dá)到100%.自旋向上的電流在正負(fù)偏壓下表現(xiàn)出負(fù)微分電阻效應(yīng).當(dāng)左右電極采取AP自旋結(jié)構(gòu)時(shí),自旋向下的電流在正偏壓下遠(yuǎn)大于自旋向上的電流.自旋向上的電流在負(fù)偏壓下遠(yuǎn)大于自旋向下的電流,器件表現(xiàn)出雙自旋過濾效應(yīng).同時(shí),自旋向上表現(xiàn)出反向分子整流,自旋向下表現(xiàn)出正向分子整流.除此之外,整個(gè)分子器件還表現(xiàn)出較高的巨磁阻效應(yīng).因此,這些結(jié)果對未來構(gòu)造具有多功能的分子器件提供了設(shè)計(jì)思路.

［1］Rocha A R,Garcia-Suarez V M,Bailey S W,Lambert C J,Ferrer J,Sanvito S 2005Nature Mater.4 335

［2］Bogani L,Wernsdorfer W 2008Nature Mater.7 179

［3］Simpson G J,Hogan S W,Caffio M,Adams C J,Früchtl H,van Mourik T,Schaub R 2014Nano Lett.14 634

［4］Cui A,Dong H,Hu W 2015Small11 6115

［5］Perrin M L,Frisenda R,Koole M,Seldenthuis J S,Gil J A C,Valkenier H,Hummelen J C,Renaud N,Grozema F C,Thijssen J M,Duli? D,van der Zant H S 2014Nature Nanotech.9 830

［6］Fan Z Q,Zhang Z H,Xie F,Deng X Q,Tang G P,Yang C H,Chen K Q 2015Org.Electron.18 101

［7］Staykov A,Watanabe M,Ishihara T,Yoshizawa K 2014J.Phys.Chem.C118 27539

［8］Cui L L,Yang B C,Li X M,Cao C,Long M Q 2014J.Appl.Phys.116 033701

［9］Malenfant P R L,Dimitrakopoulos C D,Gelorme J D,Kosbar L L,Graham T O,Curioni A,Andreoni W 2002Appl.Phys.Lett.80 2517

［10］Nakabayashi J,Yamamoto D,Kurihara S 2009Phys.Rev.Lett.102 066803

［11］Staykov A,Watanabe M,Ishihara T,Yoshizawa K 2014J.Phys.Chem.C118 27539

［12］Cui B,Xu Y Q,Ji G M,Wang H,Zhao W K,Zhai Y X,Li D M,Liu D S 2014Org.Electron.15 484

［13］Zeng M,Shen L,Zhou M,Zhang C,Feng Y 2011Phys.Rev.B83 115427

［14］Deng X Q,Zhang Z H,Yang C H,Zhu H,Liang B 2013Org.Electron.14 3240

［15］Wu T T,Wang X F,Zhai M X,Liu H,Zhou L,Jiang Y J 2012Appl.Phys.Lett.100 052112

［16］Jiang C,Wang X F,Zhai M X 2014Carbon68 406

［17］Ren H,Li Q X,Luo Y,Yang J 2009Appl.Phys.Lett.94 173110

［18］Ferreira G J,Leuenberger M N,Loss D,Egues J C 2011Phys.Rev.B84 125453

［19］Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,Jiang D,Zhang Y,Dubonos S V,Grigorieva I V,Firsov A A 2004Science306 666

［20］Long M Q,Tang L,Wang D,Wang L,Shuai Z 2009J.Am.Chem.Soc.131 17728

［21］Geim A K,Novoselov K S 2007Nature Mater.6 183

［22］Yazyev O V,Katsnelson M I 2008Phys.Rev.Lett.100 047209

［23］Kim W Y,Kim K S 2008Nature Nanotech.3 408

［24］Son Y W,Cohen M L,Louie S G 2006Nature444 347

［25］Taylor J,Guo H,Wang J 2001Phys.Rev.B63 245407

［26］Brandbyge M,Mozos J L,Ordejón P,Taylor J,Stokbro K 2002Phys.Rev.B65 165401

［27］Wang Z F,Li Q X,Shi Q W,Wang X,Yang J,Hou J G,Chen J 2008Appl.Phys.Lett.92 133114

［28］Deng X Q,Zhang Z H,Tang G P,Fan Z Q,Yang C H 2014Carbon66 646

［29］Zeng J,Chen K Q 2015J.Mater.Chem.C3 5697

［30］Deng X Q,Zhang Z H,Tang G P,Fan Z Q,Sun L,Li C X 2016Org.Electron.35 1

［31］Chen T,Wang L L,Li X F,Luo K W,Xu L,Li Q,Zhang X H,Long M Q 2014RSC Adv.4 60376

［32］Tan C M,Zhou Y H,Chen C Y,Yu J F,Chen K Q 2016Org.Electron.28 244

［33］Wu Q H,Zhao P,Liu D S 2016RSC Adv.6 16634

［34］Zhu L,Zou F,Gao J H,Fu Y S,Gao G Y,Fu H H,Wu M H,Lü J T,Yao K L 2015Nanotechnology26 315201

［35］An Y P,Yang Z Q 2012J.Appl.Phys.111 043713

［36］Zhou Y H,Zeng J,Tang L M,Chen K Q,Hu W P 2013Org.Electron.14 2940

［37］Zhao P,Liu D,Chen G 2016Org.Electron.36 160

［38］Niu P B,Shi Y L,Sun Z 2015Chin.Phys.Lett.32 117201

［39］Bella D S,Fragala I,Ledoux I,Diaz-Garcia M A,Marks T J 1995J.Am.Chem.Soc.117 9481

［40］Ortiz B,Park S M 2000Bull.Korean Chem.Soc.21 4405

［41］DiLullo A,Chang S H,Baadji N,Clark K,Kl?ckner J P,Prosenc M H,Sanvito S,Wiesendanger R,Ho ff mann G,Hla S W 2012Nano Lett.12 3174

［42］Bazarnik M,Bugenhagen B,Elsebach M,Sierda E,Frank A,Prosenc M H,Wiesendanger R 2016Nano Lett.16 577

［43］Fujita M,Wakabayashi K,Nakada K,Kusakabe K J 1996Phys.Soc.Jpn.5 1920

［44］Büttiker M,Imry Y,Landauer R,Pinhas S 1985Phys.Rev.B31 6207

［45］Zeng M G,Shen L,Zhang C,Feng Y P 2011Appl.Phys.Lett.98 053101

［46］Li Z,Qian H,Wu J,Gu B,Duan W 2008Phys.Rev.Lett.100 206802

［47］Wang Z F,Li Q X,Shi Q W,Wang X P 2008Appl.Phys.Lett.92 133114

［48］Stokbro K,Taylor J,Brandbyge M,Mozos J L,Ordejon P 2003Comput.Mater.Sci.27 151

［49］Brown E R,S?derstr?m J R,Parker C D,Mahoney L J,Molvar K M,McGill T C 1991Appl.Phys.Lett.58 2291

［50］Broekaert T P E,Brar B,van der Wagt J P A,Seabaugh A C,Morris F J,Moise T S,Beam E A,Frazier G A 1998IEEE J.Solid-St.Circ.33 1342

［51］Mathews R H,Sage J P,Sollner T G,Calawa S D,Chen C L,Mahoney L J,Maki P A,Molvar K M 1999Proc.IEEE87 596

*Project supported by the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University of Ministry of Education of China(Grant No.IRT1148),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51372119,11404278),Jiangsu Overseas Research&Training Program for University Prominent Young&Middle-aged Teachers and Presidents,and by the Natural Science Foundation of NJUPT,China(Grant Nos.NY214130,NY214104).

Spin-dependent transport properties of a Co-Salophene molecule between graphene nanoribbon electrodes?

Chen Wei1)2)Chen Run-Feng1)Li Yong-Tao2)Yu Zhi-Zhou3)Xu Ning4)Bian Bao-An5)Li Xing-Ao1)2)?Wang Lian-Hui1)?
1)(School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)
2)(Information Physics Research Center,School of Science,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)
3)(School of Physics and Technology,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,China)
4)(School of Mathematical and Physical Sciences,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China)
5)(School of Science,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

16 March 2017;revised manuscript

6 June 2017)

Molecular spintronics has attracted much attention because of many novel functionalities at the single molecule level over the past decades.Recently,much research has focused on organic molecules containing transition metals in the fi eld of molecular spintronics,which possesses desired spin-dependent transport properties for spintronic device applications.In this paper,based on non-equilibrium Green’s function formalism combined with the fi rst-principles density functional theory,the spin-dependent transport properties of an organic Co-Salophen molecule sandwiched between two zigzag graphene nanoribbon(ZGNR)electrodes are investigated.By applying an external magnetic fi eld,the spin directions of the left and right ZGNR electrodes may be switched to two di ff erent con fi gurations:the parallel(P)and antiparallel(AP)spin con fi gurations.It is found that for the P spin con fi guration,the spin-up current is signi fi cantly larger than the spin-down one which is nearly zero in a bias range from?1.0 V to 1.0 V,exhibiting a nearly perfect spin fi ltering e ff ect(up to 100%).Moreover,the spin-up current shows negative di ff erential resistance behavior at±0.3 V.For the AP spin con fi guration,the spin-down current is much larger than the spin-up one at the positive bias.On the contrary,the spinup current is much larger than the spin-down one at the positive bias.Therefore,the device exhibits bipolar spin fi ltering e ff ect.It is also found that the spin-up current at the negative bias is much larger than that at the corresponding positive bias,while the spin-down current at the negative bias is much smaller than that at the corresponding positive bias,which shows the outstanding spin rectifying e ff ect.Besides,a signi fi cant giant magnetoresistance e ff ect is also obtained in the device when the spin directions of the left and right ZGNR electrodes switch between P and AP spin con fi gurations.The spin transport properties of the device under P and AP spin con fi gurations are attributed to the di ff erent orbital symmetries of spin subbands(π*and π)of the electrodes and the spatial distribution of molecular orbitals within the bias window.By analyzing the spin-polarization transmission spectrum,the local density of states,the band structures and symmetries of the ZGNR electrodes and the projected self-consistent Hamiltonian states of molecular orbitals,the internal mechanism for multiple functional characteristics of the device is explained in detail.Our results indicate the Co-Salophen molecule can be a promising candidate for future applications in molecular spintronics device,and also provide a theoretical reference for designing the next-generation molecular nano-devices.

spin transport,molecular device,graphene nanoribbon

(2017年3月16日收到;2017年6月6日收到修改稿)

10.7498/aps.66.198503

?教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(批準(zhǔn)號:IRT1148)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:51372119,11404278)、江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長赴境外研修計(jì)劃和南京郵電大學(xué)科研基金(批準(zhǔn)號:NY214130,NY214104)資助的課題.

?通信作者.E-mail:lixa@njupt.edu.cn

?通信作者.E-mail:iamlhwang@njupt.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

PACS:85.65.+h,85.75.–d,81.05.ue

10.7498/aps.66.198503

?Corresponding author.E-mail:lixa@njupt.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:iamlhwang@njupt.edu.cn