碳基分子器件中可控的Fano效应

杨希峰，况亚伟，张德宝，于海林，冯金福，刘玉申

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

碳基分子器件中可控的Fano效应

杨希峰，况亚伟，张德宝，于海林，冯金福，刘玉申

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

Fano效应是介观体系中一种重要的量子现象，它源于局域态与扩展态之间的量子干涉行为. 通过共价键并苯分子可连接到锯齿型石墨烯纳米带而构成全碳分子器件. 随着分子长度增加，扩展态可逐渐向费米面靠近并转换为局域态，进而在局域态附近观测到Fano效应. 通过施加门电压，可有效调控Fano效应，并在费米面处可获得具有正/负100%的自旋极化率的半金属性质.

碳基分子器件；Fano效应；半金属性质

自理论上预测单分子可用作整流器以来，大量的实验致力于研究通过分子链接到金属电极的输运特性［1-2］，甚至一些实验结果可以第一性原理的方法重现［3］. 其中基于烷硫醇分子结的输运实验由于其高度可重复性引起了广泛的关注［4］. 虽然该系统提供了一个很好的平台来测试实验结果和理论计算之间的一致性，但较弱的导电性能限制了在功能器件方面的应用. 而通过官能团替代氢原子可在费米能面附近引起新的量子态，相较于未被取代的丁硫醇分子结，被氨基取代的丁硫醇结表现出更好的热电性能［5］. 基于这个系统，我们提出了一种单分子的制冷装置［6］.

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨. 2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯［7］. 由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展. 最近的研究也表明锯齿形石墨烯纳米带（ZGNRs）可以代替传统的金属电极［8］. 尤其当中心散射区部分由碳基材料构成时，可以通过共价键的方式结合［9］.

图1 （a）基于6-并苯的分子器件结构示意图；（b）自旋可分辨的透射谱和态密度随能量的变化趋势

Fano效应是固体物理中一个重要的量子现象，它来源于局域态和连续态之间的干涉行为. 为我们探索系统中的相变提供了一个强大的工具. 这种效应多出现在环形器件中. 例如：Kobayashi等人首先在阿哈罗诺夫-玻姆干涉仪中观察到了这种现象［10］.

然而在碳基分子器件中，我们也观测到了Fano效应，该器件是由并苯分子连接到锯齿型石墨烯纳米带而构成（如图1（a）所示）. 左右电极和n-并苯分子（n代表并苯分子的长度，这里n=6）之间通过一种稳定的苯基耦合模式链接而成. 图1（b）给出了自旋可分辨的隧穿谱和态密度. 很明显在能量F、A、C和H处出现了局域态，在它们附近也出现了扩展态（B、D、E和G处）. 当电子能量靠近局域态时，由于量子干涉效应，在局域态附近出现了Fano共振峰. 所有计算结果都有基于标准非平衡格林函数和密度泛函理论的第一性原理计算软件包Nanodcal软件完成［11］. 图2给出了不同长度下自旋分辨的态密度和隧穿谱随能量的变化趋势. 随长度的增加，扩展态A或C慢慢向费米面处移动，并转变为局域态.它们可以和周边的扩展态发生量子干涉效应，在隧穿谱上形成Fano共振峰. 因此在较长的并苯分子器件中出现了Fano共振峰. 用门电压可对隧穿谱进行有效控制，图3给出了不同门电压和不同电场方向下

隧穿谱随能量的变化趋势. 当门电压为正值时（电场方向由下到上），该电场可驱动整个隧穿谱向能量低的方向移动，同时我们发现自旋向上的隧穿谱更加容易移动. 在门电压为5 V时，费米面处表现为半金属特性，即自旋向上的电子可隧穿通过，而自旋向下的电子禁止通过. 此时费米面处自旋极化率为正100%. 当电场方向改变时，在门电压为8 V时，该器件在费米面处表现为极化率为负100%的半金属性质. 以上结果发表在Nanoscale 8，15712（2016）.

图2 自旋可分辨的态密度图随能量的变化趋势（左半部分）和与电子能量相对应的自旋可分辨（右半部分）

图3 分子长度n=9时不同门电压下自旋可分辨的隧穿谱与能量之间的关系

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［11］ TAYLOR J, GUO H, WANG J. Ab initio modeling of quantum transport properties of molecular electronic devices［J］. Phys Rev B: Condens Matter, 2001, 63: 245407.

Abstract:A Fano effect is an important quantum phenomenon in mesoscopic systems, which arises from an interference between the localized state and the extended state. By covalent coupling, the acene molecule can be linked to zigzag graphene nanoribbon (ZGNR) electrodes, forming an all-carbon molecular device. As the length of the molecule increases, an extended state is gradually shifted towards Femi level, and evolves into a localized state. A Fano effect is observed near the localized state. Using a gate voltage, we can easily tune the Fano effect, and a half-metallic property with positive or negative 100% spin polarization at the Fermi level can be achieved.

Key words:carbon-based molecular devices; Fano effects; half-metallic property

Controlled Fano Effects in Carbon-based Molecular Devices

YANG Xifeng, KUANG Yawei, ZHANG Debao, YU Hailin, FENG Jinfu, LIU Yushen
(School of Physics and Electronic Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

O437

A

1008-2794（2017）04-0025-03

2017-04-28

国家自然科学基金面上项目“具有边缘态无金属层状纳米结构器件自旋热电性能增强机制的研究”（61674022）

刘玉申，教授，博士，研究方向：微纳电子学，E-mail：ysliu@cslg.edu.cn.