在研究领域,特别是纳米技术与材料科学交叉领域,石墨烯因其卓越的电子特性而成为研究热点。石墨烯是一种由碳原子以蜂窝状排列的二维材料,具有极高的电子迁移率和独特的量子效应。在本次研究中,我们关注的是石墨烯纳米带(graphene nanoribbons,GNRs)与聚三亚苯基丁二炔(poly-(terphenylene-butadiynylene),PTB)的复合结构,这种结构能够实现高性能的双极自旋滤波和开关功能。
我们简单介绍石墨烯纳米带的性质。石墨烯纳米带是通过将石墨烯切割成窄带状结构而获得的,其宽度一般在几纳米至几十纳米之间。根据切割边缘的取向,石墨烯纳米带可以分为锯齿形(zigzag)和扶手椅形(armchair)两种类型。锯齿形石墨烯纳米带在电子学领域具有特殊的自旋极化现象,这使得它们成为构建自旋电子器件的理想材料。
在本研究中,使用了对称的铁磁性锯齿形石墨烯纳米带电极,并探讨了聚三亚苯基丁二炔(PTB)分子在两个电极之间的电子输运性质。通过非平衡格林函数方法结合自旋极化的密度泛函理论,研究发现,聚三亚苯基丁二炔具有良好的双极自旋滤波效应,整流行为以及负微分电阻特性。这些发现表明,聚三亚苯基丁二炔分子可以作为自旋二极管和分子开关使用。
进一步分析表明,电极与PTB分子间的电子波函数匹配在多功能PTB基器件中扮演了关键角色。此外,PTB分子中炔三键与苯环之间的耦合对于自旋分辨电流值和开/关比至关重要。研究预测通过改变PTB分子平面与石墨烯电极平面之间的角度,可以获得高达10的7次方的开/关比。
这些现象暗示了所提出的基于PTB的器件在分子自旋电子器件和分子开关方面具有潜在的应用价值。随着传统半导体电子器件面临前所未有的挑战,分子电子器件因其潜在的超高集成度、低能耗和多功能性而吸引了大量关注,并在实验和理论上投入了巨大的努力。大量有趣的效应已被发现,包括自旋阀效应、自旋过滤、自旋交叉、负微分电阻(NDR)、开关效应以及整流效应等。
分子器件的电子输运性质不仅取决于分子的结构,而且还与两个电极的性质有着密切的关系。因此,在器件设计中选择合适的电极非常重要。通常,金属电极是最受欢迎的,分子通过硫醇(-SH)基团与金属电极连接。然而,在实际应用中,通过硫醇基团连接的金属电极并不是理想的选择,因为它可能引入额外的散射,从而影响器件的性能。
研究提供了对自旋电子器件的深入理解,并为未来自旋电子学和分子电子学的发展指明了新的方向。随着石墨烯纳米带和有机分子技术的进步,预计这些材料和技术将为制造新一代高性能电子器件提供可能,从而推动电子学向更小、更快、更智能的方向发展。