铁磁/单层分子复合纳米颗粒材料中的自旋注入研究

This project focuses on studying the effect of the interface between ferromagnetic metal and organic molecules on spin injection using single molecular layer wrapped ferromagnetic nanoparticles fabricated by self-assembled method. The results will help to understand the spin injection mechanism on ferromagnet/organic interface in organic spintronics. In our former works, the single molecular layer wrapped ferromagnetic nanoparticles system is successfully fabricated. And moreover we can use this system to observe the transport properties of single molecule, hence get the spin injection and magnetic transport properties of molecules at zero bias. The experimental work can be divided into two parts.Firstly, we choose molecules with different docking function group to tune the bonding strength at the ferromagnet/molecule interface. The systematic changed interface barrier and magnetic transport properties are analyzed to obtain the effect of the interface barrier on the spin injection properties. Secondly, the conjugate molecules with various back ends group are chosen to change the polaron at the ferromagnet/molecule interface. The magnetic transport properties with changed polarons are analyzed to under the spin injection mechanisms.

本项目主要针对当下有机自旋电子学面临的自旋在铁磁金属与有机分子界面上的注入机制问题，利用化学自组装方法制备单分子层包裹的铁磁纳米颗粒体系，研究铁磁金属与有机分子之间的界面特性对自旋注入的影响。我们的前期工作已成功制备出了单分子层包裹的铁磁纳米颗粒体系，并且证明在此体系中可以直接测量有机单分子的自旋输运性质，从而得到零偏压下的自旋注入以及输运性质。实验工作分为两个部分：一是通过选择有机分子成键端官能团，改变有机分子与铁磁金属之间的键能，调控磁性纳米颗粒与有机分子界面的势垒，分析磁输运性质随界面势垒高度的变化，研究界面势垒对自旋注入的影响。二是在共轭π电子的有机分子中选取分子尾端的官能团，改变分子共轭π电子云的分布，调控铁磁金属与有机分子之间的电极化强度，分析磁输运性质随界面间电极化强度的变化，研究铁磁/有机分子界面的电场对自旋注入的影响。

有机材料作为一种新兴材料，相较于无机材料而言，在自旋电子学的应用中具有一系列不可替代的优良特性。虽然有机自旋电子学的重要性已成为普遍共识，但是现阶段在基础研究工作中还存在许多基本问题没有一个公认的清晰物理机制，例如铁磁金属与有机分子界面的输运机制、自旋注入机制以及自旋散射机制等。本项目主要针对当下有机自旋电子学面临的自旋在铁磁金属与有机分子界面上的注入机制问题，利用化学自组装方法制备单分子层包裹的铁磁纳米颗粒体系，研究铁磁金属与有机分子之间的界面特性对自旋注入的影响。首先我们成功制备了单分子层包裹的铁磁纳米颗粒体系，并且证明此体系是由磁性分子隧道结组成的网络体系，能够通过测量此体系的磁、电输运性质得到被组装的有机分子的自旋输运性质，为开展下一步的实验工作奠定了重要的基础；其次通过选择不同的系列有机分子成键端官能团，改变有机分子与铁磁金属之间的键能，调控磁性纳米颗粒与有机分子界面的势垒，分析磁输运性质随界面势垒高度的变化，研究界面势垒对自旋注入的影响。我们选择了羧酸官能团（-COOH）、磺酸官能团（-SO3H）以及苯磺酸官能团（-C6H6O3S）的饱和直链有机分子作为磁性分子隧道结中的有机分子，系统测量了磁、电输运性质。发现在饱和直链有机分子组成的磁性分子隧道结中，分子与铁磁金属的结合方式决定了隧穿势垒的高度，界面处的电子态密度决定了隧穿电阻值，硫原子（S）是自旋散射的主要来源；最后我们通过改变磁性分子隧道结制备过程中的气氛，调控铁磁金属与有机分子之间的电极化强度，对比在空气中和在氮气中制备的磁性分子隧道结的磁、电输运性质，进一步验证了分子与铁磁金属的结合方式决定了隧穿势垒的高度，界面处的电子态密度决定了隧穿电阻值。综上所述，该项目的研究成果丰富了有机分子与铁磁金属界面处的输运性质研究内容，推动了自旋在铁磁金属与有机分子界面上的注入机制问题的研究和理解。