中國(guó)科大提出單分子器件中產(chǎn)生純自旋流的理論方案

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍?jiān)菏空n題組李星星團(tuán)隊(duì)提出一種在單分子器件中產(chǎn)生純自旋流的簡(jiǎn)單方法。它的實(shí)現(xiàn)基于該團(tuán)隊(duì)最近發(fā)掘的一類獨(dú)特的磁性分子，稱為雙極磁性分子（Bipolar Magnetic Molecule, 簡(jiǎn)稱BMM），其最高占據(jù)分子軌道 (HOMO) 和最低未占據(jù)分子軌道 (LUMO)分別來(lái)自于兩個(gè)不同的自旋通道 [Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202205036]。利用BMM分子構(gòu)造單分子器件，并在左右電極施加溫度梯度后，通過門壓調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)大小相等但方向相反的自旋上和自旋下電流，即產(chǎn)生無(wú)電荷流伴隨的純自旋流。相關(guān)成果以“Gate Tunable Spin Seebeck Effect and Pure Spin Current Generation in Molecular Junctions Based on Bipolar Magnetic Molecules”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊Nano Letters上。

焦耳發(fā)熱是影響器件性能和阻礙超高密度集成的一個(gè)重要因素。在這方面，無(wú)電荷流伴隨的純自旋流提供了一個(gè)理想的解決方案。然而，在納米尺度，特別是在單分子器件水平上產(chǎn)生純自旋流仍然是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)工作中，研究人員利用BMM作為單分子器件的核心元件，通過門壓調(diào)控的自旋塞貝克效應(yīng)(SSE)實(shí)現(xiàn)了純自旋流的產(chǎn)生。機(jī)制如圖1所示：在左右電極施加溫度梯度(ΔT=TL-TR> 0)(圖1a)，兩電極之間決定電子分布概率的費(fèi)米-狄拉克函數(shù)存在差異 (Δf = fL- fR)，該差異相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)EF呈現(xiàn)為反對(duì)稱 (圖1b)。同時(shí)，源于BMM獨(dú)特的能級(jí)結(jié)構(gòu)，靠近費(fèi)米能級(jí)的電子透射峰T(E)將分別來(lái)自自旋上(up)和自旋下(down)通道(圖1c)。通過門壓將費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)到自旋上和自旋下透射峰的中心位置(EF2)時(shí)，熱驅(qū)動(dòng)的自旋分辨電流譜J = (fL- fR)×T(E)出現(xiàn)了符號(hào)相反的兩個(gè)峰，且負(fù)的自旋上Jup峰和正的自旋下Jdown峰的覆蓋面積正好相等(圖1d)。此時(shí)，向右的自旋上電流(Iup> 0)和向左的自旋下電流(Idown< 0)大小一致，導(dǎo)致數(shù)值為零的電荷流(Ic= Iup+ Idown=0)和較大的純自旋流(Is= Iup- Idown≠0)，即實(shí)現(xiàn)了完美的自旋塞貝克效應(yīng)(SSE)。

圖1.(a) 典型雙極磁性分子(BMM)的前線分子軌道能級(jí)圖以及基于BMM的熱自旋電子器件示意圖。(b) 左右電極的費(fèi)米-狄拉克分布差異，該差異由溫度偏置決定(ΔT=TL-TR)。(c) BMM熱自旋電子器件的電子透射峰分布，其中費(fèi)米能級(jí)的位置可以通過門壓來(lái)調(diào)節(jié)。(d) 相應(yīng)的電流譜，它決定了自旋分辨電流的大小和方向。

利用密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法(NEGF-DFT)對(duì)兩種雙極磁性分子VIIphen2NCS2和 VIIbtz2NCS2進(jìn)行熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)模擬，驗(yàn)證了純自旋流產(chǎn)生的可行性。以VIIphen2NCS2BMM為例，圖2中展示了其磁性，電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性。分子前線軌道能級(jí)排列為自旋下HOMO<自旋上HOMO<自旋下LUMO<自旋上LUMO，表現(xiàn)出典型的BMM特征(圖2a)。在基于VIIphen2NCS2的熱自旋電子器件中，施加0.15 V的門壓時(shí)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下，即可獲得沿著相反方向流動(dòng)并且大小幾乎相等的自旋上和自旋下電流(圖2d，2g)，即產(chǎn)生了理想的純自旋流。

圖2.(a) VIIphen2NCS2BMM的自旋密度和前線分子軌道能級(jí)排布。(b) VIIphen2NCS2BMM夾在兩個(gè)Au(111)電極之間的熱自旋電子器件結(jié)構(gòu)。在BMM所在區(qū)域下施加門壓VG，得到不同門壓、不同溫度梯度(ΔT)驅(qū)動(dòng)的自旋分辨電流：(c) VG= 0 V、(d) VG= 0.15 V和(e) VG= 0.5 V，以及相應(yīng)的自旋流(Is)和電荷流(Ic)：(f) VG= 0 V、(g) VG= 0.15 V和(h) VG= 0.5 V。