李佳錦 劉乾 伍丹 鄧小清 張振華 范志強(qiáng)

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,柔性電子材料基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410114)

利用非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論,研究了順式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩分子連接鋸齒邊碳化硅納米帶的自旋輸運(yùn)特性,并在鐵磁場(chǎng)下觀察到自旋向上和自旋向下具有同方向的自旋整流特性.在鐵磁場(chǎng)下,邊緣碳原子或者硅原子雙氫原子鈍化可以改變鋸齒邊碳化硅納米帶的本征金屬性,使其轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體.順式蒽二噻吩器件和反式蒽二噻吩器件的自旋向上電流-電壓特性可以呈現(xiàn)顯著的自旋整流效應(yīng),相應(yīng)的最大自旋整流比分別接近1011和1010.此外,由于自旋向上和自旋向下電流值之間的巨大差異,兩個(gè)器件的電流-電壓特性都在正偏壓區(qū)域呈現(xiàn)出完美的自旋過(guò)濾行為.以上發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)自旋功能分子器件具有重要意義.

1 引言

隨著硅基半導(dǎo)體器件尺寸縮小到納米級(jí),顯著的小尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)使其難以在著名的集成電路摩爾定律下繼續(xù)延伸和推進(jìn)[1].全世界的科學(xué)家都在尋找體積更小、功能更好的設(shè)備來(lái)解決這些問(wèn)題.其中,分子器件和分子電子學(xué)為電子器件的進(jìn)一步小型化提供了機(jī)會(huì)[2-4].迄今為止,科學(xué)家們?cè)趯?duì)分子熱電和光電器件的輸運(yùn)行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究時(shí),觀察到了一系列優(yōu)良特性[5-9],如負(fù)微分電阻[10,11]、分子二極管[12,13]、分子開關(guān)[14,15]、分子馬達(dá)[16]、分子場(chǎng)效應(yīng)晶管[17]等.雖然分子器件比傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件小,但信息傳輸?shù)妮d體仍然是電子.20 世紀(jì)80 年代,法國(guó)科學(xué)家在外磁場(chǎng)作用下觀察到Fe/Cr 周期性多層膜中電阻變化率高達(dá)50%的巨磁阻效應(yīng),電阻變化率高達(dá)50%,標(biāo)志著自旋電子學(xué)的誕生.1995 年,科學(xué)家在Fe/Al2O3/Fe 夾層結(jié)構(gòu)中觀察到一個(gè)大的隧穿磁阻,這為自旋電子學(xué)開辟了另一個(gè)新方向.自旋電子學(xué)以電子自旋為基礎(chǔ),用于信息傳輸、處理和存儲(chǔ),其具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子器件無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),如運(yùn)行速度更快、集成度更高、能耗更低等,因此成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[18-20].

近年來(lái),以石墨烯為代表的二維材料由于其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能而成為全球研究熱點(diǎn)[21-25].目前,實(shí)驗(yàn)成功制備的本征二維材料普遍不具有磁性,這極大地限制了二維材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.然而,當(dāng)二維材料被切割成納米帶時(shí),如石墨烯納米帶[26]、硅烯納米帶[27]、碳化硅納米帶[28]、磷烯納米帶和二硫化鉬納米帶[29,30],由于邊緣狀態(tài)的存在,它們可以顯示磁性.同時(shí),以上述納米帶作為電極連接單個(gè)有機(jī)分子的磁性輸運(yùn)器件也表現(xiàn)出多種自旋電子輸運(yùn)特性,如自旋極化、自旋過(guò)濾、自旋開關(guān)、自旋整流、巨磁阻等效應(yīng)[31-36].其中,自旋整流效應(yīng)是指磁性器件的自旋電流僅在正向偏壓下導(dǎo)通,在反向偏壓下關(guān)閉的單向?qū)щ娞匦?它在開關(guān)電路、穩(wěn)壓電路、限幅電路和電容電路中都有重要的應(yīng)用.目前,能夠?qū)崿F(xiàn)自旋電流整流的納米器件或分子器件通常需要在器件電極處加上反鐵磁場(chǎng),這無(wú)疑增大了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和難度[37-40].另外,兩種自旋流整流的單向傳導(dǎo)方向相反,整流比一般不高.因此,如何在鐵磁場(chǎng)存在的情況下實(shí)現(xiàn)高整流比的自旋電流整流將是一個(gè)非常有意義的研究課題.本文研究了不同邊緣雙氫原子鈍化鋸齒邊碳化硅納米帶連接蒽二噻吩(anthradithiophene,ADT) 分子的自旋輸運(yùn)特性.特別是,蒽二噻吩與并五苯是等電子的,并五苯是有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中研究最多的有機(jī)半導(dǎo)體材料[41,42].然而,關(guān)于蒽二噻吩分子的自旋輸運(yùn)特性還沒有詳細(xì)的報(bào)道.研究發(fā)現(xiàn)順式蒽二噻吩器件(cis-ADT)和反式蒽二噻吩(trans-ADT)器件的自旋向上電流電壓特性在鐵磁場(chǎng)下可以呈現(xiàn)顯著的自旋整流特性,對(duì)應(yīng)的自旋電流整流比分別接近1011和1010.

2 模型與方法

圖1 為不同邊緣雙氫原子鈍化鋸齒邊碳化硅納米帶連接蒽二噻吩分子的器件幾何結(jié)構(gòu).與石墨烯納米帶一樣,二維碳化硅也可裁剪成鋸齒邊碳化硅納米帶和扶手椅邊碳化硅納米帶.鋸齒邊碳化硅納米帶呈現(xiàn)金屬性,而扶手椅邊碳化硅納米帶是帶隙巨大的半導(dǎo)體.即使在外磁場(chǎng)作用下,扶手椅邊碳化硅納米帶的自旋能帶結(jié)構(gòu)顯示其兩種自旋態(tài)的帶隙仍然很大,無(wú)法作為自旋器件的理想電極.為了處理實(shí)際器件的無(wú)限邊界問(wèn)題,將其分為3 個(gè)區(qū)域:左電極、右電極和中心散射區(qū).左右電極分別是底部邊緣硅原子和頂部邊緣碳原子雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米帶.中心散射區(qū)的分子是蒽二噻吩的兩種異構(gòu)體,順式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩,它們是具有兩個(gè)末端苯基團(tuán)被噻吩環(huán)取代的五苯類似物[41-43].蒽二噻吩末端的碳原子可以直接與碳化硅上的碳原子和硅原子形成共價(jià)鍵,從而將蒽二噻吩分子穩(wěn)定地錨接在碳化硅上構(gòu)成分子器件.圖上明確標(biāo)記了硫原子在順式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩中的位置.由于異構(gòu)體分離困難,蒽二噻吩最初被合成反式異構(gòu)體和順式異構(gòu)體的混合物.此外,兩種異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致一些電荷重排,這也會(huì)改變兩種異構(gòu)體中蒽二噻吩分子器件的輸運(yùn)性質(zhì).因此,如果想系統(tǒng)地研究鋸齒邊碳化硅納米帶連接蒽二噻吩分子的自旋輸運(yùn)特性,應(yīng)該考慮它的兩種異構(gòu)體.為簡(jiǎn)單起見,這兩種不同的設(shè)備分別命名為M1和M2.在鐵磁場(chǎng)下計(jì)算了自旋能帶結(jié)構(gòu)和傳輸特性.圖1 還顯示了自旋向上和自旋向下狀態(tài)之間的自旋電荷密度差異的等值面圖(?ρρup-ρdown),其中ρup和ρdown分別表示自旋向上(紅色)和自旋向下(藍(lán)色)的電子密度.兩個(gè)器件上左電極的碳原子和底部硅原子邊緣的兩個(gè)鈍化氫原子上分布著自旋向上凈電荷,分布在硅原子上的自旋向下凈電荷非常小.兩個(gè)器件上右電極的硅原子和頂部碳原子邊緣的兩個(gè)鈍化氫原子上同樣分布著自旋向上凈電荷,而自旋向下凈電荷分布在碳原子上.兩個(gè)器件上中間蒽二噻吩上自旋向上凈電荷和自旋向下凈電荷的分布都非常小,并且順式或反式異構(gòu)體也不同.

圖1 兩種器件的幾何結(jié)構(gòu)示意圖.左、右黑色實(shí)心線框分別是左、右電極,為不同邊緣雙氫原子鈍化鋸齒邊碳化硅納米帶的兩個(gè)晶胞;自旋向上和自旋向下狀態(tài)的自旋極化電荷密度差的等值圖,等值均設(shè)置為0.05|e| ?—3 (1 ?=0.1 nm)Fig.1.Schematic geometric structures of two devices.The left and right black solid wire frames are the left and the right electrode,which are two unit cells of zigzag SiCnanoribbon under different edge dual-hydrogenation.Isosurface plots of the spin-polarized charge density difference of upspin and down-spin states with the isovalues all setting at 0.05|e| ?—3 (1 ?=0.1 nm).

本文中器件的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電子結(jié)構(gòu)和自旋輸運(yùn)特性的計(jì)算全部由基于非平衡格林函數(shù)和密度泛函理論相結(jié)合的第一性原理計(jì)算方法 (QuantumAT 軟件) 完成[44].在自旋相關(guān)廣義梯度近似下,用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)泛函描述了交換和關(guān)聯(lián).哈密頓量和電子密度是在能量截止值為150 Ry 的真實(shí)空間網(wǎng)格中計(jì)算的.用于計(jì)算塊體電子結(jié)構(gòu)和器件電子輸運(yùn)特性的k點(diǎn)采樣在x,y和z方向分別為1×1×21和1×1×100,其中z方向是納米帶的周期方向.在x和y方向上設(shè)置至少15 ?的真空緩沖空間,以避免相互作用.器件的自旋電流由著名的朗道公式計(jì)算得到:Iσ(Vb)Tσ(E,Vb)[fL(E,Vb)-fR(E,Vb)]dE[45].其中,Tσ(E,Vb)是與自旋相關(guān)的傳輸系數(shù),σ分別表示自旋向上態(tài)和自旋向下態(tài),μL/R是左右電極的電化學(xué)勢(shì),fL(E,Vb) 和fR(E,Vb) 是左右電極的費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù).

3 結(jié)果與討論

圖2 所示為底部邊緣硅原子上雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米帶和頂部邊緣碳原子上雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米帶的幾何結(jié)構(gòu)和自旋能帶結(jié)構(gòu).鋸齒邊碳化硅納米帶邊緣原子上的雙氫原子鈍化幾乎不影響其平面幾何結(jié)構(gòu).鋸齒邊碳化硅納米帶中碳?xì)湓又g和硅氫原子之間的鍵長(zhǎng)d1和d3分別為1.09 ?和1.48 ?.但是在雙氫原子鈍化位置,碳?xì)湓又g和硅氫原子之間的鍵長(zhǎng)d2和d4分別增至1.11 ?和1.52 ?,對(duì)應(yīng)角度θ1和θ2分別為104.6°和103.8°.然而,雙氫原子鈍化可以導(dǎo)致電荷分布重構(gòu),這將直接影響鋸齒邊碳化硅納米帶的電子結(jié)構(gòu).上文計(jì)算結(jié)果表明,在鐵磁場(chǎng)下可以觀察到鋸齒邊碳化硅納米帶呈現(xiàn)本征金屬性[46-50].但是計(jì)算的自旋能帶結(jié)構(gòu)表明,在鐵磁場(chǎng)下,邊緣碳或硅原子上的雙氫原子鈍化都可以將鋸齒邊碳化硅納米帶的本征金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體.在圖2(a)中,自旋向上電子有很大的帶隙,而自旋向下電子具有很小的帶隙.自旋向上電子的價(jià)帶頂接近費(fèi)米能級(jí),而導(dǎo)帶底遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí).相比之下,圖2(b)中情況與圖2(a)相反.自旋向上電子的帶隙很小,而自旋向下電子的帶隙很大.自旋向下電子的導(dǎo)帶底接近費(fèi)米能級(jí),而價(jià)帶頂遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí).值得注意的是,關(guān)于邊緣碳或硅原子上雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米帶的自旋能帶計(jì)算結(jié)果與基于Heyd-Scuseria-Ernzerhof 雜化密度泛函的理論研究結(jié)果一致[46].

圖2 (a)底部邊緣硅原子雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米和(b)頂部邊緣碳原子雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米的幾何結(jié)構(gòu)與自旋能帶結(jié)構(gòu)Fig.2.Geometric structures and spin-resolved band structures of (a) the zigzag SiC nanoribbon with the dual-hydrogenation on the silicon atom of the bottom edge and (b) the zigzag SiC nanoribbon with the dual-hydrogenation on the carbon atom of the top edge.

圖3 分別顯示了M1和M2 在零偏壓下的自旋輸運(yùn)譜及透射峰值處的局域態(tài)密度空間分布.器件M1 有一個(gè)自旋向上輸運(yùn)峰位于—0.4 eV和一個(gè)自旋向下輸運(yùn)峰位于0.42 eV.自旋向上輸運(yùn)峰值處的局域態(tài)密度分布在左電極和中心順式蒽二噻吩分子,在右側(cè)電極上出現(xiàn)了部分局域的情況.然而,自旋向下輸運(yùn)峰值處的局域態(tài)密度僅僅分布于右側(cè)電極上.中心順式蒽二噻吩分子和左側(cè)電極對(duì)器件態(tài)密度的貢獻(xiàn)非常小.該結(jié)果與圖1 中自旋向上和自旋向下狀態(tài)之間自旋電荷密度差異等值面圖完全一致.結(jié)果表明,自旋向上輸運(yùn)峰的系數(shù)大于自旋向下輸運(yùn)峰.換句話說(shuō),器件M1 的自旋向上電子傳輸能力高于自旋向下電子.當(dāng)中心分子從順式蒽二噻吩變?yōu)榉词捷於绶詴r(shí),M2 的自旋向上和自旋向下輸運(yùn)峰仍分別位于—0.4 eV和0.42 eV.局域態(tài)密度在自旋向上輸運(yùn)峰的空間分布在左電極上仍然呈現(xiàn)有很好的離域性.但是,中心反式蒽二噻吩分子和右電極對(duì)M2 的態(tài)密度貢獻(xiàn)已顯著減弱.因此,器件M2 的自旋向上輸運(yùn)峰系數(shù)低于器件M1.然而,中心反式蒽二噻吩分子上自旋向下輸運(yùn)峰處的局域態(tài)密度空間分布有所擴(kuò)大.因此,器件M2 的自旋向下輸運(yùn)峰系數(shù)相比器件M1略有增大.

圖3 零偏壓下的自旋輸運(yùn)譜和輸運(yùn)峰值處的自旋向上(紅色)和自旋向下(藍(lán)色)局域態(tài)密度空間分布 (a) M1;(b) M2Fig.3.The spin-resolved transmission spectra and the spatial distributions of the up-spin (red) and down-spin(blue)local density of state at the transmission peaks under zero bias:(a)M1;(b)M2 .

圖4 所示為零偏壓下左電極、右電極和中心蒽二噻吩的投影態(tài)密度.分子與左電極和右電極的耦合決定了器件的輸運(yùn)譜[51].在圖4(a)中,左電極(底部邊緣硅原子上雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米帶)的自旋向上投影態(tài)密度在—0.4—1.5 eV 的能量范圍內(nèi)為零.右電極(頂部邊緣碳原子上雙氫原子鈍化的鋸齒邊碳化硅納米帶)的自旋向上投影態(tài)密度在—1.5——0.62 eV 的能量范圍內(nèi)為零.在費(fèi)米能級(jí)兩側(cè),中心順式蒽二噻吩有3 個(gè)自旋向上投影態(tài)密度峰,分別位于—0.4 eV,—0.32 eV和0.76 eV.然而,只有位于—0.4 eV 的中心蒽二噻吩的投影態(tài)密度峰可以同時(shí)與左右電極的投影態(tài)密度峰匹配.因此,圖3(a)中器件M1 只有一個(gè)自旋向上輸運(yùn)峰位于—0.4 eV 處.當(dāng)中心分子從順式蒽二噻吩變?yōu)榉词捷於绶詴r(shí),中心反式蒽二噻吩的3 個(gè)自旋向上投影態(tài)密度峰分別位于費(fèi)米能級(jí)兩側(cè)的—0.4 eV,—0.24 eV和0.7 eV.但是只有位于—0.4 eV的中心反式蒽二噻吩的投影態(tài)密度峰能同時(shí)與左右電極的投影態(tài)密度匹配.此外,該投影態(tài)密度峰的系數(shù)小于順式蒽二噻吩的輸運(yùn)系數(shù).因此,圖3(b)中器件M2 只有一個(gè)自旋向上輸運(yùn)峰也位于—0.4 eV,但是系數(shù)較小.在圖4(b)中,左電極的自旋向下投影態(tài)密度在0.42—1.5 eV 的能量區(qū)域內(nèi)為零.右電極的自旋向下投影態(tài)密度在—1.5—0.06 eV 的能量范圍內(nèi)為零.盡管中心順式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩在費(fèi)米能級(jí)的兩側(cè)都有幾個(gè)自旋向下投影態(tài)密度峰,但只有0.42 eV 的投影態(tài)密度峰可以同時(shí)與左右電極的投影態(tài)密度峰匹配.因此,圖3 中M1或 M2 只有一個(gè)自旋向下輸運(yùn)峰位于0.42 eV.由于反式蒽二噻吩在0.42 eV 的投影態(tài)密度峰系數(shù)略高于順式蒽二噻吩在0.42 eV 時(shí)的投影態(tài)密度峰系數(shù),因此M2 的自旋向下輸運(yùn)峰系數(shù)比M1 略有增大.

圖4 (a) 零偏壓下左、右電極和中央蒽二噻吩的自旋向上投影態(tài)密度;(b) 零偏壓下左、右電極和中心蒽二噻吩的自旋向下投影態(tài)密度.Fig.4.(a) The up-spinprojecteddensity of states of left electrode,right electrode and central anthradithiophene at zero bias voltage;(b) the down-spinprojecteddensity of states of left electrode,right electrode and central anthradithiophene at zero bias voltage.

兩種器件的自旋電流電壓特性可以通過(guò)朗道公式計(jì)算得到,如圖5 所示.其中正負(fù)電壓的電流值均取絕對(duì)值,以方便用對(duì)數(shù)圖進(jìn)行比較.在圖5(a)中,自旋向上和自旋向下電流幾乎不隨正電壓的增大而變化,并且始終保持很小的值.然而,自旋向上電流在—0.15 V 后隨負(fù)偏壓的增大而增大,在—0.25 V 時(shí)接近8 nA.在負(fù)偏壓下自旋向下電流的增大不明顯.因此,當(dāng)兩個(gè)電極處于鐵磁狀態(tài)時(shí),M1 的自旋向上和自旋向下電流電壓特性都可呈現(xiàn)自旋電流整流效應(yīng).圖5(b)顯示器件M1 的自旋向下電流實(shí)際上隨著正偏置電壓的增大而緩慢上升.因此,M1 的對(duì)數(shù)形式的電流電壓特性可以更清楚呈現(xiàn)自旋電流整流效應(yīng).同時(shí)可清晰看到器件M1 的自旋向上電流隨著正電壓的增大而迅速減小.因此可以推斷自旋向上電流電壓特性與自旋向下電流電壓特性相比將呈現(xiàn)更顯著的整流效應(yīng).此外,由于自旋向上和自旋向下電流值在正偏壓區(qū)間的巨大差異,器件M1 的電流電壓特性在正偏壓區(qū)也可以表現(xiàn)出自旋過(guò)濾行為.

圖5 器件M1 的(a)線性和(b)對(duì)數(shù)自旋電流電壓特性;器件M2 的(c)線性和(d)對(duì)數(shù)自旋電流電壓特性Fig.5.Spin-resolved current-voltage characteristic of M1 in (a) linear and (b) logarithmic forms;current-voltage characteristic of M2 in (c) linear and (d) logarithmic forms.

圖5(c)顯示,當(dāng)中心分子由順式蒽二噻吩變?yōu)榉词捷於绶詴r(shí),電極處于鐵磁狀態(tài)時(shí)器件M2 的電流電壓特性也會(huì)呈現(xiàn)自旋電流整流效應(yīng).自旋向上和自旋向下電流幾乎不隨正偏壓的增大而變化,始終保持很小的值.然而,自旋向上電流會(huì)在—0.15 V 后隨著負(fù)偏壓而增大,并在—0.25 V時(shí)接近16 nA.此外,自旋向下電流會(huì)在—0.2 V 后隨著負(fù)偏壓而增大.圖5(d)中器件M2 對(duì)數(shù)形式的電流電壓特性表明自旋向上電流同樣也隨著正電壓的增大而迅速減小.因此器件M2 的自旋向上電流電壓特性與自旋向下電流電壓特性相比也將呈現(xiàn)更顯著的整流效應(yīng).此外,與M1 相比,M2 在正偏壓范圍內(nèi)的自旋向上和自旋向下電流值差異更明顯,尤其是在低偏壓下.因此,器件M2 的電流電壓特性在正偏壓下可以表現(xiàn)出更完美的自旋過(guò)濾行為.為量化自旋電流整流和自旋過(guò)濾行為的水平,計(jì)算了器件的自旋電流整流比為RR=I(—V)/I(+V)和自旋過(guò)濾效率為 SFE=(Iup—Idown)/(Iup+Idown)×100%,如圖6所示[52,53].從圖6(a)和6(b)可以看出,隨著電壓從—0.05——0.25 V的變化,兩種器件的自旋向上和自旋向下電流整流比都逐漸增大.如圖6(a)所示,自旋向上電流整流比遠(yuǎn)大于自旋向下電流整流比.M1 的最大自旋向上電流整流比在—0.25 V 時(shí)可以接近1011,而M1的最大自旋向下電流整流比在—0.25 V 時(shí)接近102.在圖6(b)中,自旋向上電流整流比也遠(yuǎn)大于自旋向下電流整流比.M2 的最大自旋向上電流整流比在—0.25 V 時(shí)可以超過(guò)1010,略低于M1.但是M2的最大自旋向下電流整流比在—0.25 V 時(shí)可以超過(guò)103,比M1 大一個(gè)數(shù)量級(jí).兩種器件的自旋向上電流整流比相比以往器件在反鐵磁狀態(tài)下得到的自旋電流整流要更顯著.從圖6(c)和(d)可以看出,兩個(gè)器件的自旋過(guò)濾效率都隨著偏置電壓從±0.05—±0.25 V 的變化而增大,并且兩個(gè)器件在正電壓區(qū)域的自旋過(guò)濾效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于器件在負(fù)電壓區(qū)域的自旋過(guò)濾效率.在圖6(c)中,M1 在—0.05 V 時(shí)的自旋過(guò)濾效率僅為42%,在—0.1 V后超過(guò)90%.M1 在0.05 V 時(shí)的自旋過(guò)濾效率僅為—65%,然后在0.15 V 后超過(guò)—99%.在圖6(d)中,M2 在負(fù)偏置電壓區(qū)域的自旋過(guò)濾效率與M1 相比大大降低.M2 在—0.05 V 時(shí)的自旋過(guò)濾效率僅為10%,在—0.25 V 時(shí)的最大自旋過(guò)濾效率也僅為81%.然而,與M1 相比,M2 在正偏壓區(qū)的自旋過(guò)濾效率卻大大提高.M2 在 0.05 V 時(shí)的自旋過(guò)濾效率就可以達(dá)到—95%,然后在 0.1 V 后接近—100%直至0.25 V.

圖6 (a) M1和(b) M2 的自旋向上和自旋向下電流整流比;(c) M1和(d) M2 的自旋過(guò)濾效率Fig.6.The up-spin and down-spin current rectification ratios of (a) M1 and (b) M2;the spin filtering efficienciesof (c) M1 and (d) M2.

自旋向上和自旋向下電流整流之間的巨大差異可以通過(guò)隨電壓演變的輸運(yùn)譜來(lái)解釋.因此,圖7給出了器件M1 在不同電壓下的自旋向上和自旋向下對(duì)數(shù)輸運(yùn)譜比較.當(dāng)對(duì)器件施加電壓后,左右電極化學(xué)勢(shì)分別由μL(Vb)μL(0)-eVb/2 和μR(Vb)μR(0)+eVb/2確定,因此左右電極化學(xué)勢(shì)差等于eVb.在正偏壓下,左電極的電勢(shì)降低,右電極的電勢(shì)升高.相反,在負(fù)偏壓下,左電極的電勢(shì)升高,而右電極的電勢(shì)降低.在圖7(a)中,M1 在零偏壓下的自旋向上輸運(yùn)峰位于費(fèi)米能級(jí)的左側(cè).隨著負(fù)偏壓的增大,自旋向上輸運(yùn)譜將向右移動(dòng),導(dǎo)致輸運(yùn)峰逐漸接近費(fèi)米能級(jí).更重要的是,由于兩個(gè)電極的投影態(tài)密度匹配,輸運(yùn)峰系數(shù)也隨著負(fù)偏壓的增大而增大.最大輸運(yùn)系數(shù)在—0.15 V 后接近1.因此,自旋向上電流隨著負(fù)偏壓的增大而迅速增大.然而,M1 的自旋向上輸運(yùn)譜隨著正偏壓的增大會(huì)向左移動(dòng),導(dǎo)致輸運(yùn)峰逐漸遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí).此外,由于兩個(gè)電極的投影態(tài)密度不匹配,輸運(yùn)峰值的系數(shù)隨著正電壓的增大而明顯下降.因此,自旋向上電流隨著正偏置電壓的增大而迅速減小.基于這些分析,自旋向上電流電壓特性呈現(xiàn)出具有巨大自旋電流整流比的顯著整流效應(yīng).

圖7 M1 在不同電壓下的(a)自旋向上和(b)自旋向下對(duì)數(shù)輸運(yùn)譜Fig.7.The up-spin (a) and down-spin (b) logarithmic transmission spectra of M1 under the different bias voltages.

在圖7(b)中,M1 零偏壓下主要的自旋向下輸運(yùn)峰值位于費(fèi)米能級(jí)的右側(cè).此外,另一個(gè)系數(shù)很小的自旋向下輸運(yùn)峰位于費(fèi)米能級(jí)的左側(cè).隨著負(fù)偏壓的增大,自旋向下輸運(yùn)譜向右移動(dòng),導(dǎo)致自旋向下輸運(yùn)主峰逐漸遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí).幸運(yùn)的是,隨著負(fù)偏壓的增大,費(fèi)米能級(jí)左邊的輸運(yùn)峰逐漸向費(fèi)米能級(jí)移動(dòng),相應(yīng)的系數(shù)也隨之增大,導(dǎo)致自旋向下電流增大.施加正偏壓后,M1 的自旋向下輸運(yùn)譜也將逐漸向右移動(dòng),導(dǎo)致右側(cè)主自旋向下輸運(yùn)峰向費(fèi)米能級(jí)移動(dòng).然而,相應(yīng)的系數(shù)隨著正偏置電壓的增大而減小.盡管自旋向下電流在正偏壓下也增大,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)偏壓時(shí)的數(shù)值.因此,自旋向下電流電壓特性也表現(xiàn)出自旋電流整流效應(yīng),但相應(yīng)的整流比遠(yuǎn)小于自旋向上電流電壓特性的自旋電流整流比.

4 結(jié)論

蒽二噻吩與并五苯都是目前研究廣泛的有機(jī)半導(dǎo)體材料.并五苯是全碳原子構(gòu)成的對(duì)稱結(jié)構(gòu),而蒽二噻吩具有因硫原子位置不同而導(dǎo)致的順式和反式結(jié)構(gòu).因此蒽二噻吩與并五苯相比更具有可調(diào)控的電子結(jié)構(gòu).本文研究了順式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩分子連接鋸齒邊碳化硅納米帶的自旋輸運(yùn)特性,并在鐵磁場(chǎng)下觀察到自旋向上和自旋向下具有同方向的自旋整流特性.研究發(fā)現(xiàn)邊緣原子上的雙氫原子鈍化幾乎不影響鋸齒邊碳化硅納米帶的平面幾何結(jié)構(gòu),但可以在鐵磁場(chǎng)下將其從本征金屬性改變?yōu)榘雽?dǎo)體性.由于蒽二噻吩分子兩種自旋態(tài)投影態(tài)密度與左右電極自旋態(tài)投影態(tài)密度匹配情況存在差異,順式蒽二噻吩器件和反式蒽二噻吩器件的自旋向上電流電壓特性可以呈現(xiàn)顯著的整流效應(yīng),相應(yīng)的自旋電流最大整流比分別接近1011和1010.同時(shí),順式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩器件的自旋向下電流電壓特性也表現(xiàn)出同方向的整流效應(yīng),但相應(yīng)的自旋電流整流比遠(yuǎn)小于自旋向上電流電壓特性.隨著正電壓的增大,兩個(gè)器件的向下自旋電流緩慢上升.但是兩個(gè)器件的自旋向上電流迅速下降.因此,自旋向上和自旋向下電流值之間的巨大差異導(dǎo)致兩個(gè)器件在正偏壓區(qū)域呈現(xiàn)完美的自旋過(guò)濾行為.以上發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)自旋功能分子器件具有重要意義.