Li原子摻雜C28單分子器件的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)

翁祝林

(湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院，恩施 445000)

0 引 言

近年來(lái)，利用單分子構(gòu)成的器件吸引了廣大學(xué)者的關(guān)注，特別是結(jié)合了自旋電子學(xué)和熱電子學(xué)的熱自旋器件，熱流、自旋電子和電流的相互作用吸引了越來(lái)越多的研究者的熱點(diǎn)關(guān)注[1-14]。熱自旋器件作為下一代電子器件，可用于高密度信息存儲(chǔ)和量子計(jì)算機(jī)。

Farajian等[1]發(fā)現(xiàn)聚噻吩分子器件具有很好的負(fù)微分電阻效應(yīng)和開(kāi)關(guān)效應(yīng)。Kaur等[5]發(fā)現(xiàn)C20分子器件在±1 V時(shí)存在電流庫(kù)侖臺(tái)階的有趣現(xiàn)象[4]，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)C20和C24存在金屬行為。Zhang等[13]發(fā)現(xiàn)兩個(gè)C60分子間加上了鏈烷(C7H14)構(gòu)成分子器件存在非常有趣的負(fù)微分電阻效應(yīng)。近年來(lái)，C28是實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的最小的富勒烯，引起了學(xué)者們的研究興趣[15-17]。Enyashin等[18]對(duì)C28分子的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)及器件進(jìn)行了研究，為更好地研究C28分子提供了理論依據(jù)。學(xué)者們對(duì)摻雜分子的性能改進(jìn)產(chǎn)生濃厚的研究興趣[19-22]，Xu等[12]發(fā)現(xiàn)電極接觸對(duì)C28分子結(jié)輸運(yùn)的自旋劈裂影響很大，且在小偏壓下輸運(yùn)通道主要是自旋向下的電子，為研究C28分子結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)提供了很好的參考。Li等[24]發(fā)現(xiàn)不同C原子連接電極對(duì)C28分子結(jié)的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)不同，均存在自旋塞貝克效應(yīng)。Guo等[25]發(fā)現(xiàn)采用金屬原子摻雜C28分子的電負(fù)性應(yīng)小于1.54的重要結(jié)論，對(duì)摻雜原子C28分子提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。Pahuja等[23]對(duì)摻雜C28的電子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)C28摻雜能改變其電子結(jié)構(gòu)并使其穩(wěn)定性增加，Li摻雜C28分子后其輸運(yùn)電流降低。綜上所述，學(xué)者們對(duì)C28進(jìn)行了大量研究，并發(fā)現(xiàn)很多有趣的現(xiàn)象，但尚未發(fā)現(xiàn)有對(duì)Li原子摻雜C28分子器件的熱自旋輸運(yùn)研究的相關(guān)報(bào)道。

本文采用QuantumATK軟件[26-27]對(duì)Li原子摻雜C28(Li@C28)的分子器件進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，對(duì)Li原子摻雜C28的分子器件的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)MJ1、MJ2和MJ3這三種器件均出現(xiàn)塞貝克效應(yīng)，而且MJ2器件中還出現(xiàn)了負(fù)微分電阻效應(yīng)，并結(jié)合三種器件的輸運(yùn)譜對(duì)其物理機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 模型和理論計(jì)算

本文分子器件的幾何結(jié)構(gòu)采用雙探針模型，分為左右電極和中心區(qū)域三部分，采用半無(wú)限的Au(111)電極，中心區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Li原子摻雜C28分子。研究表明分子器件中加入S原子，中心區(qū)域分子不直接與Au電極耦合，避免金屬電極與分子平行而產(chǎn)生的多點(diǎn)接觸情況，從而避免Au電極作用引起的頂位吸附效應(yīng)；由于S原子與Au原子之間的鍵合能力強(qiáng)，還能使能隙減小，也更有利于電子傳輸，因此分子常采用S原子連接到Au(111)表面[28-31]。C28由三種類(lèi)型的C原子組成(分別用C1、C2和C3標(biāo)識(shí))，其中S原子通過(guò)C1、C2和C3原子與Li摻雜C28分子連接的分子器件分別為MJ1、MJ2和MJ3，Li原子摻雜C28分子及其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Li摻雜C28的分子結(jié)構(gòu)(a)及器件模型：(b)MJ1;(c)MJ2;(d)MJ3Fig.1 Geometry structure (a) of the Li@C28 and the model of the Li@C28 monomolecular device: (b) MJ1; (c) MJ2; (d) MJ3

本文采用非平衡格林函數(shù)和密度泛函相結(jié)合的方法，采用QuantumATK軟件[26-27]對(duì)Li@C28分子進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，QuantumATK 軟件是新一代的材料與器件模擬平臺(tái)，含有了眾多的計(jì)算方法和模型，可以在原子水平上研究電子態(tài)結(jié)構(gòu)、能量、輸運(yùn)問(wèn)題，尤其是QuantumATK 可以計(jì)算納米器件的電子輸運(yùn)特性，進(jìn)行材料的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。本文使用本征態(tài)密度近似方法計(jì)算核電子，采用標(biāo)準(zhǔn)相互關(guān)聯(lián)贗勢(shì)，交換-關(guān)聯(lián)函數(shù)選取Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)形式的廣義梯度近似(GGA)。截?cái)嗄茉O(shè)置為75 Hartree，k點(diǎn)設(shè)置為4×4×134。前后、上下方向采用周期邊界條件，左右輸運(yùn)方向采用Dirichlet邊界條件?？偰苁諗繀?shù)設(shè)置為10-6eV，每個(gè)原子的受力收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.01 eV/nm。

分子器件的輸運(yùn)電流與透射系數(shù)和電子的費(fèi)米分布有關(guān)，通過(guò)QuantumATK軟件的透射分析工具，可得上下自旋輸運(yùn)電流等結(jié)果。自旋電流可表達(dá)為[32]：

(1)

式中：Iup(down)表示上(下)自旋電流；e為電子電荷；h為普朗克常量；TL(R)為左(右)電極的溫度；fL(R)(E,TL(R))是左(右)電極平衡費(fèi)米分布；Tup(down)(E)是自旋劈裂輸運(yùn)系數(shù)。即：

Tup(down)(E)=Tr[ΓLGRΓRGA]up(down)

(2)

式中：GR(A)是中心區(qū)域的滯后(前進(jìn))格林函數(shù)；ΓL(R)是左(右)電極的耦合矩陣。

2 結(jié)果與討論

為了研究Li原子摻雜C28分子構(gòu)成的分子器件的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)，本文對(duì)器件均不加偏壓，只采用對(duì)左右電極加溫度場(chǎng)。將左(右)電極的溫度表示為T(mén)L(TR)，且將左電極溫度TL設(shè)置為大于右電極溫度TR，ΔT表示溫差(ΔT=TL-TR)。上(下)自旋電流表示為Iup(Idown)，總自旋電流表示為Is(Is=Iup-Idown)，凈自旋電流為Ic(Ic=Iup+Idown)。Li原子摻雜C28分子構(gòu)成的分子器件的熱自旋電流、凈自旋電流和總自旋電流如圖2所示。

圖2 熱自旋電流、凈自旋電流和總自旋電流隨著左電極溫度的變化。(a)～(c)MJ1；(d)～(f)MJ2；(g)～(i)MJ3Fig.2 The relationships between the thermal spin-depend currents, the net charge currents, the total spin currents and TL of (a)～(c) MJ1, (d)～(f) MJ2, and (g)～(i) MJ3

圖2(a)所示，當(dāng)左右電極加上一個(gè)溫度場(chǎng)，一個(gè)正的上自旋電流和一個(gè)負(fù)的下自旋電流同時(shí)出現(xiàn)在MJ1的器件中，上(下)自旋電流隨著左電極溫度增大而單調(diào)增加。從圖2(b)的凈自旋電流可得出Idown比Iup僅大10-3的數(shù)量級(jí)，Iup與Idown的幅值大小很接近。圖2(c)所示，總自旋電流隨著左電極的增大而增大。自旋向上的電流始終都是正的，自旋向下的電流都是負(fù)的，即不同自旋極化取向的電流其方向相反，在MJ1器件中出現(xiàn)的是一種明顯的自旋塞貝克效應(yīng)。溫差ΔT越大，MJ1器件中自旋塞貝克效應(yīng)越明顯。

圖2(d)所示，當(dāng)左右電極加上一個(gè)溫度差，一個(gè)正的下自旋電流和一個(gè)負(fù)的上自旋電流同時(shí)出現(xiàn)在MJ2的器件中，上(下)自旋電流隨著左電極溫度增大而先增加到某個(gè)值后再逐漸減小。從圖2(e)的凈自旋電流可得出Idown比Iup大(～1 nA左右)，凈電流隨著左電極溫度的增加而增加。圖2(f)所示，總自旋電流隨著左電極的增大而先增大后減小。不同自旋極化取向的電流其方向相反，在MJ2器件中不僅出現(xiàn)了自旋塞貝克效應(yīng)，而且還出現(xiàn)了負(fù)微分電阻效應(yīng)。溫差ΔT越大，MJ2器件中自旋塞貝克效應(yīng)越明顯。

圖2(g)所示，當(dāng)左右電極加上一個(gè)溫度場(chǎng)，一個(gè)正的上自旋電流和一個(gè)負(fù)的下自旋電流同時(shí)出現(xiàn)在MJ3的器件中，上(下)自旋電流隨著左電極溫度增大而增加。從圖2(h)的凈自旋電流可得出Iup比Idown僅大10-2nA，Iup與Idown的幅值大小也比較接近。圖2(i)所示，總自旋電流隨著左電極的增大而增大。在MJ3器件中也出現(xiàn)的是一種明顯的自旋塞貝克效應(yīng)。溫差ΔT越大，MJ3器件中自旋塞貝克效應(yīng)越明顯。

MJ1、MJ2和MJ3三種器件中自旋塞貝克效應(yīng)隨著溫差ΔT越大越明顯。MJ1和MJ3器件中自旋向上的電流始終都是正的，自旋向下的電流都是負(fù)的，兩種器件均出現(xiàn)明顯的自旋塞貝克效應(yīng)，但凈自旋電流的規(guī)律表現(xiàn)不一樣。MJ2器件中不僅出現(xiàn)了自旋塞貝克效應(yīng)，而且還出現(xiàn)了負(fù)微分電阻效應(yīng)。綜上所示，三種器件具有不一樣的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)。

電子和空穴分布在費(fèi)米能級(jí)以上和以下，隨著溫度的增加，費(fèi)米能級(jí)之上分布的電子越來(lái)越多，費(fèi)米能級(jí)之下的空穴也會(huì)越來(lái)越多。在左右電極溫差下，電子和空穴分別從溫度高的左電極向溫度低的右電極運(yùn)動(dòng)，形成負(fù)的電子流和正的空穴流。而自旋劈裂電流不僅與費(fèi)米-狄拉克分布有關(guān)，還取決于器件的透射系數(shù)Tup(down)(E)。為了探究其物理機(jī)理，通過(guò)計(jì)算得到這三種器件的輸運(yùn)譜，如圖3所示。在MJ1和MJ3中，根據(jù)自旋輸運(yùn)譜可以看出，三種器件的主要通道均集中在費(fèi)米能級(jí)之下，空穴通過(guò)自旋提供的通道，從左電極達(dá)到右電極，形成正上自旋電流，而電子通過(guò)下自旋提供的通道從左電極達(dá)到右電極，形成負(fù)自旋向下電流。在MJ2的輸運(yùn)譜中，費(fèi)米面附近均存在明顯的上下自旋的輸運(yùn)峰，且輸運(yùn)峰離費(fèi)米面很近。仔細(xì)對(duì)比輸運(yùn)譜，發(fā)現(xiàn)費(fèi)米面以上的下自旋輸運(yùn)峰稍大于上自旋輸運(yùn)峰，而費(fèi)米面以下的上自旋輸運(yùn)峰稍大于下自旋輸運(yùn)峰，因此費(fèi)米面附近的空穴可通過(guò)下自旋載流子提供的輸運(yùn)通道形成正下自旋電流，同理費(fèi)米面附近的電子也可通過(guò)上自旋載流子提供的輸運(yùn)通道形成負(fù)上自旋電流，如圖2(d)所示。因費(fèi)米面附近的下自旋輸運(yùn)譜峰值少于上自旋輸運(yùn)譜峰值，所以正下自旋電流低于負(fù)上自旋電流值，如圖2(e)所示。

圖3 三種器件的上(下)自旋的輸運(yùn)譜Fig.3 Transmission spectra of three devices’ spin up (down)

3 結(jié) 論

利用第一性原理計(jì)算，對(duì)Li摻雜C28構(gòu)成的分子器件的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)三種器件MJ1、MJ2和MJ3均出現(xiàn)塞貝克效應(yīng)，且溫差ΔT越大，三種器件中的自旋塞貝克效應(yīng)越明顯，在MJ2器件中還出現(xiàn)了負(fù)微分電阻效應(yīng)。相同條件下，MJ1、MJ2和MJ3三種器件中的熱自旋電流的幅值均很接近，MJ2的凈自旋電流最高(當(dāng)TL=500 K，ΔT=50 K時(shí)，Ic=12 nA)，MJ1的總自旋電流最高(當(dāng)TL=500 K，ΔT=50 K時(shí)，Is=120 nA)，其值近MJ3器件的總自旋電流的2倍。根據(jù)三種器件的輸運(yùn)譜對(duì)其物理機(jī)理進(jìn)行了探討，結(jié)合輸運(yùn)譜對(duì)Li摻雜C28構(gòu)成的分子器件中塞貝克效應(yīng)和負(fù)微分電阻效應(yīng)的形成原因進(jìn)行了探討。Li摻雜C28構(gòu)成的分子器件可用于新型自旋納米器件。