有机自旋电子学在设计柔性、低成本和低能耗有机器件方面具有广阔的应用前景。由于有机分子大都不含d电子，难以产生磁性。因此，探寻可产生磁性的独特有机共轭分子结构并阐明其机理具有重要的意义。
作为典型的有机π共轭分子，并苯分子在有机发光和分子电子学领域受到广泛关注。相关实验和理论表明，并苯分子具有独特的长度依赖的磁特性。当苯环个数达到或超过7时，分子基态将由非磁态转变为反铁磁态，在有机反铁磁器件及输运方面具有相当的应用价值。然而，在器件结构形式下，电极耦合和外加偏压是不可避免的因素，此时并苯分子能否保持反铁磁性值得探究。近期，山东师范大学胡贵超教授团队基于第一性原理方法，研究了偏压对连接到金电极上的并七苯分子磁性的影响。研究发现，并七苯分子连接到金电极后，未加偏压时可保持反铁磁自旋密度波（亚铁磁性）。当偏压超过一临界值时，并七苯由磁性向非磁性转变。进一步研究表明，该磁性-非磁转变源于偏压引起的前线分子轨道定域度变化，导致分子磁性的主导机制由电子间的库仑相互作用转变为电子平均跃迁速率。计算表明，并八苯和并九苯分子也存在类似现象。
图1. (a) 并七苯分子结结构示意图。(b)-(f) 不同偏压下分子的自旋密度。
此外，作者还研究了分子磁性相变对器件输运性质的影响。随着分子磁性的转变，分子器件的电流显著提升，微分电导增强，但电流自旋极化特性消失。在高偏压下，由于电子态在外场下的极化效应，甚至存在负微分电导现象。该工作提出了一种通过电场来操控并苯分子磁性的方法，并揭示了分子磁性与其电导之间的关系，对进一步设计并苯分子自旋电子器件提供了理论指导。
图2. (a) 金/并七苯/金分子结自旋极化输运特性。(b) 并七苯分子结电流和微分电导。
团队介绍
胡贵超教授团队长期从事有机自旋电子学理论研究，结合物理建模和第一性原理方法，对磁性自由基有机磁体、有机/铁磁界面自旋极化、有机自旋霍尔效应等进行了深入的研究，承担国家自然科学基金项目4项，发表学术论文130余篇，为推动有机自旋电子学和分子自旋电子学的发展做出了贡献。
文章信息
Bias-induced magnetic to nonmagnetic transition in polyacene junctions
Jingtao Li, Huiqing Zhang, Han Ma, Huixin Li, Ying Wang, Chu Wang, Guangping Zhang, Junfeng Ren, and Guichao Hu
Appl. Phys. Lett. 125, 162401 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0223078
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