共轭分子-过渡金属表面吸附复合体系电子态和电子学特性的第一性原理研究

This project intends to simulate and calculate electronic structures of nano-complex systems composed of conjugated π-bonding molecule and transition metals adsorbed on typical substrate surfaces (π-TM system). Having some contents cooperating with related scanning tunneling microscopy (STM) experiments, it will research unique electronic states and eletronics properies, including those with spin-polarization mechanism, of this new type of nano-structures. It will study influences of various factors, such as molecule-metal bonding configuration, adsorption configuration, substrate material/structure, detecting probe and external field, on the electronic states ofπ-TM systems, and explores methods and principles for modulating the electronics properties of π-TM systems. It will also study influences and related mechanisms of the molecules, especially their molecular orbitals, on spin-states and Kondo resonances of these systems, analyze properties and mechanisms of magnetic orders and Kondo coupling between the magnetic atoms via the molecule under different configuration, and designπ-TM systems with appropriate properies for magnetic materials. Basing density-functional calculating results, it will simulate Kondo effect of some typical π-TM systems by involving parameterized model method. At last, possible functions for electrnic devices will be explored for several typical π-TM systems by combining electronic states analysis and multiple factors in related experiments.

本项目利用基于第一性原理的从头算方法模拟计算吸附在典型衬底表面的共轭大π键分子和过渡金属原子构成的纳米复合体系（简称π-TM体系）的电子结构信息，部分内容与相关扫描隧道显微镜（STM）实验相配合，研究这种新型纳米结构新颖的电子态和电子学特性，包括自旋极化机制下的相关特性。研究不同的分子-金属原子成键构型、吸附构型、衬底材料与结构和探针、外场等因素对于π-TM体系电子态的影响，探索调制复合纳米结构电子学特性的方式及其原理。研究分子尤其是其分子轨道对体系自旋态和近藤共振行为的影响及机制，分析在不同构型下，磁性金属原子之间通过分子的磁有序和近藤耦合的特性和机制，寻找和设计具有合适磁性材料性能的π-TM体系。基于密度泛函计算的结果，结合参数化模型方法，模拟研究一些典型的π-TM体系的近藤效应。针对几种典型的π-TM表面吸附体系，结合电子态分析和相关实验配置中的各种因素，探索可能的电子器件功能。

具有共轭大π键的分子与过渡金属原子相互作用构成的复合纳米结构（简称π-TM 结构）的特殊电子态及其电子学特性对于未来纳米科技发展具有重要意义。项目组按照研究计划，部分内容与相关实验组密切配合，针对典型衬底表面的π-TM 结构体系的电子结构探索与调控、该体系中的电子关联效应、相关器件效应等多个问题开展了基于密度泛函理论的模拟研究，取得了一些创新性研究成果，主要成果有：通过金属原子调控共轭分子的轨道空间和能量分布、共轭分子-金属原子共吸附体系的近藤效应研究、共轭分子和衬底参与的金属原子自旋耦合研究、揭示共轭分子轨道对于金属原子自旋耦合的影响、实现共轭大π键分子-过渡金属原子共吸附体系的整流效应，也包括共轭大π键分子及相关二维体系、过渡金属吸附原子的特性研究，以及近藤效应的理论模拟和考虑针尖效应的扫描隧道显微镜图像高效率模拟两种理论方法的发展。这些成果为相关实验提供了深入的理论诠释，揭示了过渡金属原子的d轨道对于共轭分子电子态的复杂影响、对于近藤效应机制的重要性以及共轭分子-金属原子之间相互作用对于组成的二维有机金属构架的磁学特性的重要影响，有助于π-TM 结构体系和功能单分子、磁性分子复合结构在纳米电子学器件中的进一步应用，所采用的分析方法也适用于其它分子体系和衍生复合物的物理化学研究。项目组总计发表SCI期刊论文15篇，其中有1篇发表在具有重要影响力的Phys. Rev. Lett期刊上，1篇入选Appl. Phys. Lett.期刊的封面介绍和Feature Article，并与合作者一起为Phys. Chem. Chem. Phys.期刊撰写相关领域的评述文章，项目主持者还作为团队一员获得了2014年度中国科学院杰出科技成就奖（集体），基本完成了项目既定的目标和任务。