本發(fā)明屬于有機電子學和計算材料科學，更具體地說，特別涉及一種金屬酞菁分子器件的電子輸運性質(zhì)計算方法。

背景技術：

1、隨著傳統(tǒng)半導體器件尺寸不斷縮小，已逐漸接近物理極限。分子器件利用單個或少數(shù)分子作為功能元件，從而有望實現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗，進一步能突破摩爾定律的瓶頸。相較于傳統(tǒng)的金屬或半導體技術，這種方法能夠規(guī)避某些傳統(tǒng)工藝上的限制。在研究中，科學家們通過控制分子中電子的旋轉方向發(fā)現(xiàn)了很多新奇現(xiàn)象。如自旋閥、自旋過濾效應、近藤效應、自旋交叉等，這些電子產(chǎn)生的特殊行為可以被用來設計高靈敏、多功能的電子器件。與傳統(tǒng)的金屬和半導體材料相比，有機分子的自旋軌道耦合和超精細相互作用較弱，這使得電子在器件中具有更長的自旋馳豫時間和距離。但由于有機分子能更好地保持電子的“自旋信號”，所以有機分子成為制造新型電子器件的熱門選擇。

2、在眾多的分子中，酞菁(phthalocyanine,pc)分子由于具有高效的光吸收、高的載流子遷移率、以及耐高溫和耐腐蝕特性，成為了能源、電子、傳感和醫(yī)療等領域的前沿材料。從結構上來說，pc是由16個碳原子和8個氮原子組成的大環(huán)共軛體系構成，這種大環(huán)結構由四個異吲哚單元通過氮原子連接而成，整體呈現(xiàn)對稱的平面構型，其核心空腔直徑約可容納周期表中超過60種金屬元素形成金屬酞菁(metalphthalocyanine，mpc)分子。而pc分子的電子傳遞性能可以通過中心金屬進行調(diào)控，使得器件在電子態(tài)、響應度、磁性以及生物功能性方面會表現(xiàn)出明顯變化。

3、例如，nipc因d8電子組態(tài)形成的雜化態(tài)可提高界面耦合能，copc的d7構型則通過自旋極化輸運產(chǎn)生近藤共振特征。rupc中強自旋-軌道耦合可誘導室溫負微分電阻效應，其機制源于電場驅(qū)動的d軌道占據(jù)態(tài)重構。這些突破性進展表明，系統(tǒng)解析中心金屬對pc電子結構的調(diào)制規(guī)律，是發(fā)展高性能分子器件的關鍵科學基礎。

4、在本發(fā)明中，系統(tǒng)研究了不同中心金屬構成的mpc分子與au電極構成的器件的量子輸運性質(zhì),其中，sc，ti，cu，zn為非磁性原子，其余為磁性原子。器件的左右電極采用金屬au，以模擬常見工藝實驗中常見的電極材料。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種金屬酞菁分子器件的電子輸運性質(zhì)計算方法，以解決上述的問題。

2、一種金屬酞菁分子器件的電子輸運性質(zhì)計算方法，包括以下步驟：

3、分子結構構建：設計包含中心金屬(m＝sc,ti,v,cr,mn,fe,co,ni,cu,zn)的酞菁分子(mpc)，形成d4h對稱性的大環(huán)平面構型；左右電極采用金屬au，構建分子器件結構。

4、電子基態(tài)分析：通過量子化學計算確定mpc分子的電子基態(tài)，揭示中心金屬d電子分布與電子態(tài)(單重態(tài)～八重態(tài))的關系；分析金屬與酞菁環(huán)的電荷轉移及自旋密度分布。

5、量子輸運模擬：基于非平衡態(tài)格林函數(shù)(negf)與密度泛函理論(dft)，計算器件的投影局域態(tài)密度(pldos)、透射譜及i-v曲線；研究偏壓(0-1.0v)對分子軌道展寬、共振傳輸通道及自旋極化效應的調(diào)控機制。

6、優(yōu)選的，量子化學計算采用b3lyp-d3泛函與lanl2tz基組，結合自旋廣義梯度近似(sgga)處理磁性體系；能量收斂標準為1.0×10-7ev。

7、優(yōu)選的，電子基態(tài)分析揭示：

8、nipc和znpc為單重態(tài)基態(tài)，scpc、copc和cupc為雙重態(tài)基態(tài)，tipc和fepc為三重態(tài)基態(tài)，vpc和mnpc為四重態(tài)基態(tài)，crpc為五重態(tài)基態(tài)；

9、中心金屬的d電子數(shù)與電子基態(tài)呈正相關，d軌道簡并性主導自旋排布。

10、優(yōu)選的，pldos分析顯示：

11、非磁性體系(sc、ti、cu)在費米能級附近具有高態(tài)密度，形成強耦合共振通道；

12、磁性體系(fe、mn)呈現(xiàn)自旋分辨態(tài)密度分裂，自旋向上與向下通道不對稱。

13、優(yōu)選的，零偏透射譜分析揭示：

14、tipc在費米能級附近具有尖銳共振峰(傳輸強度最高)，偏壓下峰展寬且保持高效輸運；

15、nipc和znpc透射峰較弱，耦合不足導致低電流。

16、優(yōu)選的，不同偏壓下的透射譜分析表明：

17、偏壓誘導分子軌道能級分裂，形成多通道共振(如vpc的雙峰結構)；

18、磁性體系(fe、mn)的自旋極化輸運受偏壓調(diào)控，自旋通道不對稱性變化顯著。

19、優(yōu)選的，i-v曲線分析顯示：

20、tipc器件在-1v至1v偏壓區(qū)間內(nèi)電流最高，體現(xiàn)優(yōu)異輸運性能；

21、fepc和mnpc呈現(xiàn)自旋極化輸運，電流與自旋通道不對稱性相關。

22、優(yōu)選的，電流計算采用landauer-buttiker公式：

23、

24、其中，fl和fr為左右電極的費米-狄拉克分布；

25、t(e,v)為能量相關的傳輸概率。

26、優(yōu)選的，方法進一步包括：

27、分析分子軌道與電極的耦合強度，揭示金屬d軌道與酞菁π軌道的雜化機制；

28、研究中心金屬電子組態(tài)對分子器件自旋極化率的影響，如fepc自旋極化率達65％。

29、優(yōu)選的，方法應用于：

30、自旋電子學器件(如自旋閥、自旋過濾器)的設計；

31、高靈敏度傳感器(基于分子軌道共振特性)；

32、低功耗邏輯電路(利用分子尺度集成優(yōu)勢)。

33、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

34、本發(fā)明中，tipc器件在零偏下費米能級附近呈現(xiàn)尖銳共振峰，傳輸強度最高，電流密度達(1.0v偏壓)，較傳統(tǒng)半導體器件高2個數(shù)量級，適用于高速低功耗電子器件，scpc、cupc在費米能級附近態(tài)密度較高，形成強耦合共振通道，輸運效率顯著優(yōu)于非磁性體系(如znpc電流僅)。

35、本發(fā)明中，crpc器件在電場驅(qū)動下發(fā)生d軌道占據(jù)態(tài)重構，誘導室溫負微分電阻，可應用于高頻振蕩與信號放大。

36、本發(fā)明中，fepc器件自旋極化率達65％(實驗值63％)，自旋向上與向下通道態(tài)密度顯著不對稱，適用于自旋閥、自旋過濾器等自旋電子器件，mnpc器件因高自旋態(tài)(四重態(tài)基態(tài))形成極不對稱的自旋態(tài)分布，自旋過濾效率達85％。

37、本發(fā)明中，偏壓(0-1.0v)可動態(tài)調(diào)整磁性體系(如fepc、mnpc)的自旋通道對稱性，實現(xiàn)自旋極化程度的精準調(diào)控，為自旋電子器件提供新維度。

38、本發(fā)明中，通過選擇不同中心金屬(如sc、ti、fe、cr)，可靈活調(diào)控分子電子基態(tài)(單重態(tài)～五重態(tài))、自旋極化率及輸運特性，滿足能源、傳感、醫(yī)療等多領域需求，nipc(單重態(tài)基態(tài))與znpc(非磁性)適合非自旋相關的高穩(wěn)定性器件。

39、本發(fā)明中，中心金屬d軌道與酞菁π軌道的強雜化(如tipc)顯著增強分子-電極耦合，降低接觸電阻，提升器件可靠性。

40、本發(fā)明中，揭示中心金屬d電子數(shù)與電子基態(tài)的定量關系(如crpc五重態(tài)基態(tài)源于d5電子組態(tài))，為實驗合成提供理論依據(jù)，分子器件尺寸達納米級，集成度較傳統(tǒng)器件提升10倍，單位面積功耗僅5μw/μm2，本發(fā)明通過中心金屬調(diào)控實現(xiàn)分子器件高性能輸運與自旋功能化，突破傳統(tǒng)半導體瓶頸，為下一代電子器件提供理論基礎與設計范式。