(长沙理工大学 物理与电子科学学院 湖南 长沙 410114)

引言

由于传统电子器件受限于尺寸等原因很难再进一步，于是科研人员开始寻找新的可以替代传统器件的新型器件。1974年，Aviram和Ratner提出了第一个有关分子器件的理论并在论文中对分子整流器的原理做出了构想[1]。随后美国科学家Moodera等人提出了自旋过滤理论。人们发现分子器件除了具有传统电子器件的功能，还具有一系列和自旋相关的独特性质，如：自旋过滤[2]、自旋负微分电阻效应等。本文主要研究了一种石墨烯分子器件的输运性质。

一、模型简介和计算方法

图1基于锯齿型石墨烯电极的石墨烯分子器件W1模型示意图(白色原子为氢原子，灰色为碳原子，红色为氧原子)

二、数据分析和讨论

对于W1分子器件，我们首先计算了它分别在P状态和AP状态下时正向偏压和反向偏压的自旋电流。接下来我们分析分子器件是否还具有自旋过滤和自旋NDR效应，首先我们先看图2(a)，当W1器件在P状态下施加正向偏压时，我们在图上可以看到对于自旋向下和自旋向上的电子均有自旋电流，其中自旋向下的电流随着偏压的逐渐增大在不断的增大，而自旋向上的电流则会先随着偏压的增大而增大，当偏压Vb=0.4时电流达到最大值，如果达到最大值后继续增大偏压则电流就会开始减小，当Vb=0.75V时电流几乎达到零的位置，当我们施加反向偏压时会观察到与正向偏压基本一致的结果，这说明W2分子器件在P状态下对于自旋向上的电流会出现NDR效应。接下来我们继续分析当W2分子器件处于AP状态时的输运情况，首先看图2(b)可以看到当给器件施加正向偏压时，自旋向上的电流几乎为零而自旋向下的电流除了一个小范围外一直在不断增大，这说明在正向偏压时中心区对于自旋向上的电子基本不会贡献输运通道，所以自旋向上的电流几乎为零，但是中心区却会为自旋向下的电子提供输运通道，所以自旋向下的电流不为零，当我们给此时的W2分子器件施加反向偏压时可以看到此时自旋向下的电流几乎为零，而自旋向上的电流不为零，这说明中心区在自旋向上的电子输运时会贡献输运通道，而自旋向下的电子输运时几乎没有通道所以会出现这样的现象，同时我们观察到自旋向上的电子会先增大并在Vb=0.6V的位址达到电流最大值，之后会在一个小区间内减小然后再增大，这表示自旋向上的电流存在着自旋负微分电阻效应。

图2W1分子器件的自旋电流，(a)为P状态下的自旋电流，(b)为AP状态下的自旋电流

三、结论

通过对结果的分析，我们发现在W2石墨烯分子器件中当P状态下两种自旋电流无法分开，当处于AP状态下时，对于上旋电流和下旋电流都明显存在着和偏压方向相关的自旋极化和自旋负微分电阻效应现象，这说明W2分子器件有着一定的应用前景。