Li原子摻雜C28單分子器件的熱自旋輸運性質

翁祝林

(湖北民族大學信息工程學院，恩施 445000)

0 引 言

近年來，利用單分子構成的器件吸引了廣大學者的關注，特別是結合了自旋電子學和熱電子學的熱自旋器件，熱流、自旋電子和電流的相互作用吸引了越來越多的研究者的熱點關注[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和量子計算機。

Farajian等[1]發現聚噻吩分子器件具有很好的負微分電阻效應和開關效應。Kaur等[5]發現C20分子器件在±1 V時存在電流庫侖臺階的有趣現象[4]，該團隊還發現C20和C24存在金屬行為。Zhang等[13]發現兩個C60分子間加上了鏈烷(C7H14)構成分子器件存在非常有趣的負微分電阻效應。近年來，C28是實驗室發現的最小的富勒烯，引起了學者們的研究興趣[15-17]。Enyashin等[18]對C28分子的結構、電子性質及器件進行了研究，為更好地研究C28分子提供了理論依據。學者們對摻雜分子的性能改進產生濃厚的研究興趣[19-22]，Xu等[12]發現電極接觸對C28分子結輸運的自旋劈裂影響很大，且在小偏壓下輸運通道主要是自旋向下的電子，為研究C28分子結的輸運性質提供了很好的參考。Li等[24]發現不同C原子連接電極對C28分子結的熱自旋輸運性質不同，均存在自旋塞貝克效應。Guo等[25]發現采用金屬原子摻雜C28分子的電負性應小于1.54的重要結論，對摻雜原子C28分子提供了重要的理論和實驗依據。Pahuja等[23]對摻雜C28的電子輸運性質進行了計算，發現對C28摻雜能改變其電子結構并使其穩定性增加，Li摻雜C28分子后其輸運電流降低。綜上所述，學者們對C28進行了大量研究，并發現很多有趣的現象，但尚未發現有對Li原子摻雜C28分子器件的熱自旋輸運研究的相關報道。

本文采用QuantumATK軟件[26-27]對Li原子摻雜C28(Li@C28)的分子器件進行了第一性原理計算，對Li原子摻雜C28的分子器件的熱自旋輸運性質進行了研究，發現MJ1、MJ2和MJ3這三種器件均出現塞貝克效應，而且MJ2器件中還出現了負微分電阻效應，并結合三種器件的輸運譜對其物理機理進行了探討。

1 模型和理論計算

本文分子器件的幾何結構采用雙探針模型，分為左右電極和中心區域三部分，采用半無限的Au(111)電極，中心區域為結構優化后的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生的多點接觸情況，從而避免Au電極作用引起的頂位吸附效應；由于S原子與Au原子之間的鍵合能力強，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由三種類型的C原子組成(分別用C1、C2和C3標識)，其中S原子通過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分子及其器件結構如圖1所示。

圖1 Li摻雜C28的分子結構(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和密度泛函相結合的方法，采用QuantumATK軟件[26-27]對Li@C28分子進行了第一性原理計算，QuantumATK 軟件是新一代的材料與器件模擬平臺，含有了眾多的計算方法和模型，可以在原子水平上研究電子態結構、能量、輸運問題，尤其是QuantumATK 可以計算納米器件的電子輸運特性，進行材料的動力學計算。本文使用本征態密度近似方法計算核電子，采用標準相互關聯贗勢，交換-關聯函數選取Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)形式的廣義梯度近似(GGA)。截斷能設置為75 Hartree，k點設置為4×4×134。前后、上下方向采用周期邊界條件，左右輸運方向采用Dirichlet邊界條件。總能收斂參數設置為10-6eV，每個原子的受力收斂標準設置為0.01 eV/nm。

分子器件的輸運電流與透射系數和電子的費米分布有關，通過QuantumATK軟件的透射分析工具，可得上下自旋輸運電流等結果。自旋電流可表達為[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)電極平衡費米分布；Tup(down)(E)是自旋劈裂輸運系數。即：

Tup(down)(E)=Tr[ΓLGRΓRGA]up(down)

(2)

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

2 結果與討論

為了研究Li原子摻雜C28分子構成的分子器件的熱自旋輸運性質，本文對器件均不加偏壓，只采用對左右電極加溫度場。將左(右)電極的溫度表示為TL(TR)，且將左電極溫度TL設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，當左右電極加上一個溫度場，一個正的上自旋電流和一個負的下自旋電流同時出現在MJ1的器件中，上(下)自旋電流隨著左電極溫度增大而單調增加。從圖2(b)的凈自旋電流可得出Idown比Iup僅大10-3的數量級，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器件中出現的是一種明顯的自旋塞貝克效應。溫差ΔT越大，MJ1器件中自旋塞貝克效應越明顯。

圖2(d)所示，當左右電極加上一個溫度差，一個正的下自旋電流和一個負的上自旋電流同時出現在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器件中不僅出現了自旋塞貝克效應，而且還出現了負微分電阻效應。溫差ΔT越大，MJ2器件中自旋塞貝克效應越明顯。

圖2(g)所示，當左右電極加上一個溫度場，一個正的上自旋電流和一個負的下自旋電流同時出現在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器件中也出現的是一種明顯的自旋塞貝克效應。溫差ΔT越大，MJ3器件中自旋塞貝克效應越明顯。

MJ1、MJ2和MJ3三種器件中自旋塞貝克效應隨著溫差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的，兩種器件均出現明顯的自旋塞貝克效應，但凈自旋電流的規律表現不一樣。MJ2器件中不僅出現了自旋塞貝克效應，而且還出現了負微分電阻效應。綜上所示，三種器件具有不一樣的熱自旋輸運性質。

電子和空穴分布在費米能級以上和以下，隨著溫度的增加，費米能級之上分布的電子越來越多，費米能級之下的空穴也會越來越多。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動，形成負的電子流和正的空穴流。而自旋劈裂電流不僅與費米-狄拉克分布有關，還取決于器件的透射系數Tup(down)(E)。為了探究其物理機理，通過計算得到這三種器件的輸運譜，如圖3所示。在MJ1和MJ3中，根據自旋輸運譜可以看出，三種器件的主要通道均集中在費米能級之下，空穴通過自旋提供的通道，從左電極達到右電極，形成正上自旋電流，而電子通過下自旋提供的通道從左電極達到右電極，形成負自旋向下電流。在MJ2的輸運譜中，費米面附近均存在明顯的上下自旋的輸運峰，且輸運峰離費米面很近。仔細對比輸運譜，發現費米面以上的下自旋輸運峰稍大于上自旋輸運峰，而費米面以下的上自旋輸運峰稍大于下自旋輸運峰，因此費米面附近的空穴可通過下自旋載流子提供的輸運通道形成正下自旋電流，同理費米面附近的電子也可通過上自旋載流子提供的輸運通道形成負上自旋電流，如圖2(d)所示。因費米面附近的下自旋輸運譜峰值少于上自旋輸運譜峰值，所以正下自旋電流低于負上自旋電流值，如圖2(e)所示。

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

3 結 論

利用第一性原理計算，對Li摻雜C28構成的分子器件的熱自旋輸運性質進行研究，發現三種器件MJ1、MJ2和MJ3均出現塞貝克效應，且溫差ΔT越大，三種器件中的自旋塞貝克效應越明顯，在MJ2器件中還出現了負微分電阻效應。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TL=500 K，ΔT=50 K時，Ic=12 nA)，MJ1的總自旋電流最高(當TL=500 K，ΔT=50 K時，Is=120 nA)，其值近MJ3器件的總自旋電流的2倍。根據三種器件的輸運譜對其物理機理進行了探討，結合輸運譜對Li摻雜C28構成的分子器件中塞貝克效應和負微分電阻效應的形成原因進行了探討。Li摻雜C28構成的分子器件可用于新型自旋納米器件。