Исследование спин-зависимых транспортных свойств наноленты γ-графина между золотыми электродами

Введение

Заряд и спин - два основных внутренних свойства электрона [1,2,3]. Традиционная микроэлектроника часто концентрируется на зарядовой характеристике электрона, независимо от его спиновых состояний. А введение электрического поля [4, 5] для регулирования переноса электронов в полупроводниковых материалах для реализации передачи или обработки информации стало обычным методом. С постоянным совершенствованием науки и техники экспериментов с большими интегральными схемами становится все больше и больше, чем раньше [6]. Компоненты высокой плотности для электроники и миниатюризации стали насущной необходимостью. В последние десятилетия ученые начали исследовать спиновые характеристики электрона в молекулярных устройствах спинтроники [7, 8]. Время релаксации спина относительно велико, на которое нелегко повлиять дефекты и примеси спинового устройства, и его можно достичь с помощью ряда средств, таких как электрическое поле, магнитное поле и так далее [9]. Поэтому многие методы модуляции спинтронных свойств молекулярных переходов стали предметом интенсивных исследований.

По сравнению с химическим легированием [10,11,12] и контролем электромагнитного поля [13, 14], инженерия деформации [15,16,17] считается наиболее эффективным и контролируемым методом для наноматериалов. Взаимодействие между решеткой и электроном (спин, орбита и т. Д. . ) влияют на электрические, магнитные или оптические характеристики материала, вызванные механической деформацией, что может привести к возникновению других уникальных физических или химических эффектов [18, 19]. Более того, в процессе подготовки экспериментального образца неизбежно возникает деформация, которая может передаваться по разным каналам. Например, подложка не подготовлена ​​гладко [20], параметры решетки образца и материала подложки не совпадают [21], или имеется изгиб на краю нанолент [22] и т. Д.

Кроме того, сообщалось, что деформация оказывает очевидное влияние на электронную структуру двумерных (2D) материалов [23, 24]. При приложении одноосной деформации может наблюдаться смещение конуса Дирака графена [25]. А одноосная деформация в большом диапазоне может изменить нулевую запрещенную зону графена [26]. Кроме того, недавние исследования показали, что инженерия деформации по-прежнему является эффективным способом улучшения транспортных свойств кремниевых нанопроволок [27]. Приложение деформации к единственному слою наноленты черного фосфора может также изменить направление переноса носителей, что может контролировать анизотропию подвижности носителей [28]. Кроме того, деформация может влиять на спиновые характеристики полупроводника. Поляризационный ток долины может генерироваться в графене за счет добавления деформации по отношению к выпуклой пузырьковой структуре [29]. Вызванная деформацией конвергенция полос может быть эффективным методом повышения термоэлектрических характеристик фосфора [30]. Кроме того, оптические [31] и магнитные свойства [32] наноперехода также могут быть индуцированы и модулированы деформацией. Таким образом, нетрудно увидеть, что регулирование инженерии деформации материалов имеет большое значение.

В последние годы углеродная наука широко затронула развивающиеся области молекулярных контактов [33,34,35,36]. Используя реакцию перекрестного связывания, Ли и др. . [37] успешно синтезировали образец графдиина на поверхности меди. С тех пор графдиин вызывает большой интерес международных исследователей [38, 39]. Графин представляет собой аллотроп графена с двумерной плоской сетчатой ​​структурой [14, 40,41,42,43,44,45], которая образована сопряжением бензольных колец и связи C – C с ацетиленовыми связями. По сравнению с простой многослойной sp ² орбитальная гибридная структура графена [46], графин имеет sp и sp ² гибридизированные состояния, определяющие, что его уникальная молекулярная структура более сложна. Есть много существующих членов, принадлежащих к семейству графинов, таких как α-графин [40, 41], β-графин [47], γ-графин [42, 48, 49], α-2-графин [14], 6, 6,12-графин [43], 14,14,14-графин [44], δ-графин [45] и так далее. Среди этих существующих структур γ-графин не обладает электронной структурой, подобной конусу Дирака, вокруг уровня Ферми, которая сильно отличается от графена. Подобно графеновым нанолентам, γ-графин также можно разрезать на «кресельные» и зигзагообразные γ-графиновые наноленты (AγGYN и ZγGYN). На ZγGYN были выставлены обширные работы по наблюдению за превосходными характеристиками, такими как спин-фильтрация, сопротивление отрицательной разности. Однако об исследовании деформации ZγGYN между золотыми электродами не сообщалось.

Стремясь изучить преимущества инженерии деформации на ZγGYN, мы вводим деформацию в молекулярные соединения на основе ZγGYN для проведения исследования с использованием расчетов из первых принципов. В этой статье мы сначала сосредоточились на электронных структурах ZγGYN в различных магнитных конфигурациях. Наблюдение показало, что явление спинового расщепления происходит после внесения деформации в соединение, что означает, что деформация может быть средством управления спином. Кроме того, результаты по спиновым токам переходов предполагают, что деформация в некоторой степени оказывает важное влияние на транспортные свойства устройства. И мы обнаружили, что инженерия деформации может улучшить связь между электродом и промежуточной областью рассеяния, что расширяет электронные каналы.

Модели и методы

На рис. 1 три различных молекулярных соединения показаны как M1, M2 и M3 соответственно. Переходы можно разделить на три части:левый электрод, область рассеяния и правый электрод. Здесь мы используем нанопроволоку золота (Au) в качестве материала электрода из-за ее хорошей пластичности и электропроводности. Au-электрод сколот на поверхности (111). А область рассеяния состоит из нескольких повторяющихся единиц ZγGYN. Атомы Au выводов и атомы углерода (C) в центральной части соединены атомами серы. Для эксперимента с графеновым переходом показано, что графеновые наноленты могут быть адаптированы и разрезаны на множество структур в качестве молекулярных устройств в эксперименте с использованием облучения энергичными электронами внутри просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) [50]. Подобно графену, молекулярные устройства на основе ZγGYN, возможно, также могут быть связаны таким образом. M1 не вводится с деформацией, а область рассеяния плоская, как показано на рис. 1a. M2 выглядит изогнутым в x ось с U -Изогнутая структура, которая не делает ее более плоской на рис. 1b, что является результатом поперечной деформации. Для системы M3, структура которой наиболее сложна, имеет место S -Изогнутая конструкция. Исходная длина ZγGYN в области рассеяния M3 вдвое больше длины M1. Таким образом, ZγGYN с эффектом деформации можно согнуть в направлении, противоположном + x и - x ось, что делает его символом S - криволинейная структура на рис. 1в. Виды сбоку M1 – M3 на рис. 1e, f соответствуют основным видам рассеивающих участков на рис. 1a – c. Подробное описание соединений можно увидеть на следующих рисунках.

(Цветной онлайн) Схема моделей молекулярных стыков отображается как a M1, b M2 и c M3, область рассеяния которого плоская, изогнутая (U-образная) и двояковыпуклая (S-образная) соответственно. Синий пунктирный прямоугольник на панели a отдает повторяющуюся элементарную ячейку ZγGYNR, постоянная решетки которой составляет 12,297 Å. Для наглядности вид сбоку в области рассеяния для d M1, e M2 и f M3, соответствующий a - c также были выставлены. L / R представляет левый / правый электрод

Сначала мы оптимизируем спроектированные элементарные ячейки и молекулярные структуры, реализуя расчет теории функционала плотности в пакете Atomistix ToolKit [51, 52]. Согласно результатам оптимизации, постоянная решетки элементарной ячейки составляет около 12,297 Å на рис. 1a, а длина области рассеяния для M1-M3 составляет около 36,891 Å, 35,473 Å и 70,559 Å на рис. 1a – c. Длина связи между золотом и атомом серы составляет 2,38 Å, а между серой и атомом углерода составляет 1,84 Å, 1,62 Å и 1,92 Å для M1-M3, соответственно. Подробные расчетные параметры были установлены следующим образом. Потенциал обменной поправки используется как приближение обобщенного градиента с функционалом Пердью – Берка – Эрнцера [53]. Энергия отсечки сетки для электростатических потенциалов составляет 150 Ry, а температура для функции Ферми установлена ​​на 300 К. Сила, действующая на каждый атом, меньше 0,02 эВ / Å. Кроме того, выбрана сетка Монкхорста – Пака размером 1 × 1 × 100, а критерий сходимости электронной плотности составляет 10 ⁻⁵ эВ в полной энергии. Кроме того, чтобы избежать взаимодействия между периодическими изображениями, в наших расчетах задана толщина вакуумного слоя не менее 20 ÅA. Спектр пропускания как функция энергии ( E ) и напряжения смещения ( В ) определяется как

где \ (G ^ {{{\ text {R}} ({\ text {A}})}} \) - запаздывающая (расширенная) функция Грина центральной области рассеяния, \ (\ Gamma _ {{\ text { L (R)}}} \) - матрица связи левого (правого) электрода и σ =± 1 жертвует электронным вращением вверх / вниз. Спиновый транспортный ток рассчитывается по формуле Ландауэра-Бюттикера [54, 55]

где \ (\ mu _ {{\ text {L (R)}}} \) и \ (f _ {{\ text {L (R)}}} \) - электрохимический потенциал и соответствующая функция распределения Ферми левой / правый электрод соответственно. Плотность состояний устройства (DDOS) можно рассчитать следующим образом:\ (D \ left (E \ right) =- \ frac {1} {\ pi} {\ text {Im}} G ^ {{\ text {R}} } (E) \).

Результаты и обсуждения

Полосные структуры зигзагообразных элементарных ячеек γ-графина изображены в немагнитном (NM), ферромагнитном (FM) и антиферромагнитном (AFM) состояниях, как показано на рис. 2a – c, соответственно. В процессе вычислений магнетизм атомов углерода, прикрепленных к верхнему и нижнему краю, устанавливается в одном и том же направлении, приближаясь к состоянию FM; установка состояния AFM противоположна. Можно видеть, что ZγGYNR является металлическим в состоянии NM, поскольку энергетические зоны проходят через уровень Ферми на рис. 2a. Подобно NM, ZγGYNR в FM-состоянии также является металлическим, но может наблюдаться очевидное спиновое расщепление. Энергетическая полоса в направлении вращения вверх сдвинута вниз на рис. 2b, в то время как полоса вращения вниз сдвинута вверх. Однако, когда ZγGYNR находится в состоянии AFM, зонная структура демонстрирует крошечную запрещенную зону 0,55 эВ, что делает его полупроводником на рис. 2c. Кроме того, соответствующие полные энергии состояний также были рассчитаны для M1-M3 соответственно. Относительные результаты отображаются следующим образом:Энергия элементарной ячейки ZγGYNR в состоянии NM самая высокая из -3524,42090 эВ, а в состоянии AFM самая низкая из -3524,49299 эВ. Разница в энергии между самой высокой и самой низкой энергией составляет около 0,07 эВ. Следовательно, по данным всех энергий можно сделать вывод, что AFM-состояние является основным состоянием ZγGYNR. FM-состояние ZγGYNR может вызывать спиновую поляризацию наноленты, и это будет применяться в области спинтроники. Далее описывается механизм глубокого переноса трех соединений.

(Цветной онлайн) Структуры полос для ZγGYNR показаны внутри a Нью-Мексико, b FM и c АСМ состояния соответственно. Уровень Ферми принят равным нулю

Во-первых, мы построим спектры пропускания трех переходов при нулевом смещении на рис. 3. На рис. 3а есть много резко импульсных пиков спектра пропускания и крошечная запрещенная зона вблизи уровня Ферми, что указывает на то, что M1 является полупроводником. . Таким образом, под действием подходящего напряжения электроны могут проходить от левого электрода к правому, поскольку связь C =C или C≡C, образованная между атомами углерода, обеспечивает канал проводимости для переноса электронов. Для напряженного устройства M2 на рис. 3b его спектр пропускания не совсем такой же, как у M1. Есть еще много пиков передачи, перемещающихся вокруг уровня Ферми. Другими словами, пики пропускания M2 под действием деформации становятся шире, чем у M1. Кроме того, кажется, что все пики передачи приближаются к уровню Ферми. Это явление возникает из-за воздействия напряжения на область рассеяния M2, что приводит к усилению связи между Au-электродами и промежуточным ZγGYNR, делая каналы передачи шире, чем канал M1.

(Цветной онлайн) Спин-зависимые спектры пропускания при нулевом смещении продемонстрированы для a M1, b M2 и c M3 соответственно. Коэффициенты передачи при раскрутке вверх и вниз были установлены как положительное (черный) и отрицательное (красный) значения. Между тем, здесь обозначены распределения проектируемого молекулярного самосогласованного гамильтониана

Кроме того, в случае M3, как показано на рис. 3c, наиболее очевидной особенностью является то, что спин-расщепление, у которого пики пропускания со спином вверх (черная сплошная линия) и спином вниз (красная сплошная линия) больше не вырождены. Более того, пик пропускания M3 по-прежнему такой же острый, как у M1, но он также становится более плотным. Пики пропускания со спином вверх смещаются вперед на уровень Ферми, но спектр пропускания со спином вниз показывает большую щель пропускания на рис. 3c, в результате чего M3 кажется разделенным по спину. Это можно объяснить сочетанием S-образной формы M3 и эффекта деформации. Деформация в форме S изменила распределение заряда M3 и разрушила исходный электрический диполь, что привело к тому, что соединение M3 проявляет магнитное поведение и, таким образом, здесь можно наблюдать явление спинового расщепления. Очевидно, ZγGYNR для M3 вдвое длиннее, чем у M1, что делает взаимодействие между электродами и областью рассеяния слабее, чем M2. Однако из-за асимметричного S -образная структура, ZγGYNR больше не находится в одной плоскости, что может изменить sp и sp ² гибридные компоненты для γ-графина. Следовательно, M3 - более совершенная модель для создания нового молекулярного соединения.

Тщательно сравнивая детали пиков пропускания на рис. 3a, b, очень важно обнаружить, что M1 не имеет пика пропускания, а M2 имеет очень острый пик при энергии -0,02 эВ. Чтобы глубже понять разницу между M1 и M2, нарисуем локальную плотность состояний устройства (DLDOS) при - 0,02 эВ, как показано на рис. 4a, b. Для M1 на рис. 4а следует отметить, что электроны в основном локализуются на золотых электродах, а электронное облако в меньшей степени распределяется в области ZγGYNR. Следовательно, для M1 меньше каналов передачи заряда. Но для M2 электроны плотно распределяются в электродах и рассеянной области ZγGYNR по всей ленте, что указывает на то, что для транспорта электронов предусмотрены богатые каналы передачи, поэтому спектры пропускания M2 выглядят шире, чем M1 вокруг уровня Ферми. Этот результат подразумевает, что молекулярное соединение M2 с контролем деформации будет обладать лучшими транспортными свойствами, и это будет обсуждаться позже.

(Цветной онлайн) DLDOS при энергии -0,02 эВ отображается как a M1 и b M2 соответственно. Величина принята равной 0,01 Å ⁻³ . · ЭВ ⁻¹ . c Изоповерхность спиновой плотности M3 также продемонстрировала, где красный и синий цвета обозначают компоненты вращения вверх и вниз соответственно. Величина принята равной 0,015 Å ⁻³ . · ЭВ ⁻¹

Кроме того, соответствующие DDOS для каждой модели показаны на рис. 5a – c, где сплошная зеленая (оранжевая) линия представляет направление вращения вверх (вниз) соответственно. Во-первых, форма и распределение DDOS на рис. 5a – c соответствуют спектрам пропускания, показанным на рис. 3a – c. DDOS M1 на рис. 3a показывает острый пик на E > 0, а DDOS со спином вверх и вниз симметричны относительно нулевой точки. Для M2 на рис. 3b пики DDOS почти простираются до всего уровня Ферми, способствуя переносу заряда в молекулярном соединении. Следовательно, деформация, реализованная в M2, способствует совместному смещению пиков на уровне Ферми. Сходство структуры пика DDOS и спектра пропускания указывает на четкое соответствие между уровнями энергии ZγGYNR и спектрами пропускания. Связь между Au-электродами и ZγGYNR, вызванная деформацией, значительно расширяет туннель передачи.

(Цветной онлайн) DDOS отображается как a M1, b M2 и c M3 соответственно. г - прогнозируемая плотность состояний устройства (PDDOS) для M3. «Up-s» и «Dn-s» означают s- орбитальный PDDOS в направлении вращения вверх и вниз, "Up-p" и "Dn-p" обозначают p- орбитальный PDDOS в направлении раскрутки вверх и вниз соответственно

Как видно из спектров пропускания и DDOS, явление спинового расщепления M3 также можно наблюдать на рис. 5c, предполагая, что M3 с длинной молекулярной цепочкой ZγGYNR является магнитным. Чтобы дать интуитивное понимание магнетизма M3, распределение спиновой плотности показано на рис. 4c, где красный и синий цвета обозначают компоненты со вращением вверх и вниз соответственно. Примечательно, что атомные магнитные моменты в основном локализованы в центре наноленты и демонстрируют тенденцию к постепенному ослаблению от центра к краям на рис. 4c. Как и зигзагообразные графеновые наноленты, ZγGYNR известны как магнитные [56]. Однако из-за наличия деформации соединение между электродами и центральной областью приводит к изменению исходного магнитного распределения. Таким образом, магнетизм ближайших к электроду атомов исчезает, а магнетизм наиболее удаленной от электрода центральной области сохраняется. Чтобы определить, какие орбитали ответственны за большую часть магнетизма, мы построим PDDOS M3 на рис. 5d. Из PDDOS ясно, что s- орбитальные электроны вносят небольшой вклад в магнетизм M3, так как они стремятся к нулевому значению в середине рис. 5d. То есть магнетизм M3 в основном зависит от p- орбитальных электронов, поскольку форма и положение пиков хорошо согласуются с DDOS на рис. 5c. Следовательно, вклад внешних электронов намного больше, чем вклад внутренних электронов в перенос заряда для M3. Чтобы отобразить транспортные свойства M1-M3, ток – напряжение ( I – V ) характеристики были исследованы следующим образом. Относительный внутренний механизм раскрывается для проверки предыдущего предсказания.

Чтобы дополнительно изучить соответствующие механизмы различной производительности для всех систем, мы вычисляем I – V кривые для предлагаемых M1 – M3, как показано на рис. 6а. На рис. 6а показано рассчитанное значение I – V , зависящее от спина. кривые как функция приложенного смещения для каждого устройства, а на вставке на рис. 6а 'показаны рассчитанные полные токи. При увеличении диапазона напряжений от -0,6 до 0,6 В кривая тока ведет себя симметрично в диапазонах положительного и отрицательного напряжения смещения, как показано на рис. 6а. Следует отметить, что токи M2 и M3 явно больше, чем токи M1, что демонстрирует определенное влияние деформации на перенос заряда. Величина тока для M1 без деформации - наименьшая из трех контактов. Он медленно увеличивается по мере увеличения напряжения смещения. Кроме того, очевидно, что ток для M2 с наибольшим наклоном быстро увеличивается с увеличением напряжения смещения. В частности, ток M2 почти в три раза больше, чем ток M1 при том же напряжении смещения. Напротив, ток для M3 с S-образной структурой умеренный между M1 и M2, что показывает более слабую проводимость, чем M2, но более сильную, чем M1.

(Цветное онлайн) а Вычисленные спин-зависимые I – V кривые как функция приложенного смещения для M1, M2 и M3. На вставке (а ') показаны расчетные полные токи для каждого устройства. б Спин-зависимые спектры пропускания для M3 при смещении - 0,04 В. Заштрихованная область между розовыми пунктирными линиями - это область энергии, вносящая вклад в ток, то есть окно смещения (заштрихованные синяя и зеленая области справа и слева представляют собой вращать вверх и вниз соответственно.)

Кроме того, явление спинового расщепления также можно обнаружить по току для M3 на рис. 6а. I – V кривая вполне согласуется со спектрами пропускания и DDOS, упомянутыми выше. Нет сомнений в том, что деформация заставляет молекулы больше не находиться в одной плоскости, повреждая делокализованный конъюгат π- связь в ZγGYNR. Однако есть еще один аспект, который следует учитывать, из-за эффекта сжатия связь между электродом и областью рассеяния усиливается, поэтому в конечном итоге электронный канал расширяется, а ток увеличивается. Таким образом, на ток M3 также влияет деформация, но не так сильно, как на ток M2. Можно объяснить следующие причины. Длина области рассеяния в некоторой степени снижает связь между Au-электродами и ZγGYNR, в результате чего ток M3 только больше, чем M1, но меньше, чем M2. Эффект деформации и длина ZγGYNR обычно определяют силу тока M3. Итак, мы видим, что спин-зависимый ток появляется для M3 на рис. 6а. Это также соответствует рис. 5c. Хотя все приведенные выше результаты расчетов показывают, что M3 с деформацией имеет явление спинового расщепления, это действительно не очень важно. Для спиновой модуляции могут быть другие более эффективные средства. Фактически, некоторые другие методы, такие как электрическое поле [57, 58], краевые модификации [59] и легирование [60], также могут вызывать спиновую поляризацию и усиливать спиновое расщепление во многих двумерных наноустройствах. P>

Из результатов мы знаем, что M3 имеет явление спинового расщепления, и нетрудно обнаружить, что при напряжении смещения -0,4 В разница в текущем значении вращения вверх и вниз | I _Вверх - _Dn | для M3 - наибольшая, что видно из синих и зеленых сплошных линий на рис. 6а. С этой целью мы построим спектры пропускания M3 при смещении -0,4 на рис. 6b, на котором сплошные синие и зеленые линии передают компоненты со спином вверх и вниз соответственно. Мы можем видеть, что площадь пропускания зеленой части в окне смещения больше, чем у синей, в результате чего соответствующий ток вращения вниз больше, чем ток вращения вверх при таком же напряжении смещения -0,4 В.

Что касается спектра пропускания на рис. 3b, мы знаем, что пик пропускания M2 вблизи уровня Ферми появляется при -0,02 эВ, поэтому граничные молекулярные орбитали играют основную роль в переносе заряда. Кроме того, предыдущие результаты расчетов показывают, что токи M1 и M2 не зависят от спина, поэтому здесь не учитываются пространственные распределения молекулярного спроецированного самосогласованного гамильтониана (MPSH) в направлении вращения вниз для M1 и M2. Пространственное распределение высших занятых молекулярных орбиталей (ВЗМО) для M1 на рис. 7a слабее, чем для M2 на рис. 7b. Видно, что ВЗМО M2 хорошо делокализованы по всей области рассеяния, в результате чего здесь возникает самый большой ток M2. В случае M3, HOMO со спином вверх распределяется по двойным сторонам ZγGYNR на рис. 7c, в то время как нижние незанятые молекулярные орбитали (LUMOs) в основном локализованы в центральной области на рис. 7d. Напротив, из-за магнетизма напряженного ZγGYNR волновая функция ВЗМО в направлении вращения вниз локализована в центральной области на рис. 7e, но распределение НСМО на рис. 7f аналогично распределению ВЗМО на рис. 7е. направление раскрутки. Пространственное распределение MPSH относительно локализовано в определенной области, что указывает на меньший ток для M3. Другими словами, взаимодействие молекулярных орбиталей зависит от сочетания сложного и гибкого атомного взаимодействия и внешнего воздействия.

(Цветной онлайн) HOMO для a M1 и b M2 в направлении раскрутки; c - е Пространственное распределение HOMO и LUMO для M3 в разных направлениях вращения