单分子磁体功能化石墨烯纳米带的磁性及输运性质研究

Designing many special nano spintronics devices based on zigzag graphene nanobelts have attracted much attention for the researches because of its unique magnetic property. However, the magnetic moments of edge C atoms are too small to make its spin polarization state unstable at the finite temperature, the key problem for its application in spintronics devices is how to create a long-range magnetic ordering in the zigzag nano-belt edge. In this project, we will systematically investigate the properties of 16 kinds of single molecular magnets functionalized zigzag graphene nanobelts using first principle calculation as well as non equilibrium Green's function method, and analyze the interaction between single molecular magnets and zigzag graphene nanobelts, and search for the effect on the electronic structure, magnetic properties and transport properties of zigzag graphene nanobelts from single molecular magnets, and to understand deeply coupling mechanism of spin-orbit and spin-spin of composite system, and try to reaveal the physical essence of the impact factors for magnetic ordering of zigzag graphene nanobelts. The successful implementation of the project will theoretically provide new ideas and new ways for real application of the zigzag graphene nanoribbon in spintronics devices, so it has an important academic significance.

zigzag 型石墨烯纳米带的磁性激起了人们利用其来设计许多特殊纳米自旋电子学器件的研究高潮。然而由于边缘C原子的磁矩较小，zigzag 型石墨烯纳米带在有限温度下的自旋极化态不稳定，如何在zigzag 型石墨烯纳米带的边缘建立长程的磁有序是实现其在自旋电子学器件中应用的关键问题。本课题拟采用第一性原理和非平衡格林函数方法对16种单分子磁体功能化的zigzag 型石墨烯纳米带展开系统而深入地研究，分析单分子磁体与zigzag 型石墨烯纳米带的相互作用，探讨单分子磁体的功能化对zigzag 型石墨烯纳米带的电子结构、磁性质和输运性质的影响，深层次理解复合体系内原子间自旋与轨道、自旋与自旋间的耦合机制，揭示影响zigzag 型石墨烯纳米带磁有序的物理根源。本项目的顺利实施与成功将从理论上为真正实现zigzag 型石墨烯纳米带在自旋电子学器件中的应用提供了一个新思路和新途径，具有重要的学术意义。

本项目研究了二茂金属类单分子磁体以及卟啉单分子磁体的稳定结构和磁性质，在此基础上研究了二茂铼单分子磁体功能化石墨烯的磁性和输运性质。发现不同尺寸的石墨烯纳米带具有不同的输运性质，而且二茂铼单分子磁体功能化的石墨烯纳米带呈现出了负微分电阻效应、开关效应等，为真正实现zigzag 型石墨烯纳米带在自旋电子学器件中的应用提供研究思路。研究了Co原子链功能化拓扑线缺陷石墨烯的结构和输运性质，发现Co 团簇的生长模式是沿着线缺陷线性排列的方式生长，随着团簇尺寸的增加，逐渐形成了Co原子链，同时形成了准一维的Co/线缺陷石墨烯的异质结（Co/LD@Gr），而且平行于线缺陷方向的自旋电流是极化的。采用第一性原理拓展研究了过渡金属原子修饰的双空位缺陷石墨烯和氮掺杂双空位缺陷石墨烯的磁性及电场调控。发现Ir原子修饰的双空位缺陷石墨烯（Ir@DV-Gr）和W原子修饰的氮掺杂的双空位缺陷石墨烯(W@NDV-Gr)体系具有较大的磁各向异性能。外电场可以对Ir@DV-Gr 和W@NDV-Gr的磁各向异性能进行调控，其物理机制来源了外加电场改变了TM-5d轨道占据数。可调控的磁各向异性能表明这样的杂化体系在亚纳米尺寸下发展低能耗的高性能磁存储和多态逻辑开关方面是非常有前景的。到目前为止，在该项目的资助下，我们已经发表了8篇SCI论文，出版专著1部，培养博士生4名。