隧道結中單分子電致發(fā)光的角向分布研究

本項目緊密圍繞研究目標，在隧道結發(fā)光的角向分布、偏振和光譜特征以及分子發(fā)光的躍遷偶極特性的表征方面，開展了一系列的工作，取得了若干成果：（1）在儀器研制方面，研制了與超高真空低溫STM聯用的后焦面光子探測系統，實現了對隧道結中光子發(fā)射的角向分布特性的表征；研制了與超高真空低溫STM聯用的HBT系統，實現了對隧道結中光子發(fā)射統計特性與偏振特性的表征；發(fā)展出了具有亞納米空間分辨的光致熒光成像技術，實現了對分子的躍遷偶極取向的實空間表征；（2）在科學進展方面，研究了卟啉分子J型聚合體的電致發(fā)光特性，發(fā)現其電致發(fā)光特征受到分子間偶極-偶極相互作用影響，并討論了在不同隧穿電流下卟啉J-型聚集體與納腔等離激元的相互作用特性；研究了分子發(fā)光與偶極-偶極作用的關系，利用發(fā)展出的亞納米空間分辨的熒光成像技術，實現了對分子間相干偶極相互作用的實空間直接觀察，開辟了研究分子間相互作用和能量轉移的新途徑，同時也為光合作用中分子捕光結構的優(yōu)化和分子糾纏體系及其光源的調控提供了新的思路；設計并通過微納加工制備了具有中心缺陷結構的二維等離激元光子晶體納米陣列，并將其作為襯底引入到STM中，并研究其缺陷模式形成的光學共振微腔對針尖誘導的納腔等離激元的增強效應和模式調控作用。 到目前為止，已在SCI期刊上發(fā)表研究論文5 篇，其中有較重要影響的論文包括Nature 1篇，Applied Physics Letters 1篇，Nanoscale 1篇；項目負責人在2016年獲得基金委優(yōu)秀青年基金支持，與合作者一起培養(yǎng)博士研究生3 名。

分子尺度上的光電器件集成是未來信息能源技術中的一個重要發(fā)展方向，其科學基礎在于納米尺度下對光電相互作用與轉化過程的認識和調控。本項目將利用高分辨掃描隧道顯微鏡與高靈敏光學檢測的聯用技術，以含共軛π電子體系體系的有機多功能光電分子為研究對象，利用隧穿電子的高度局域化激發(fā)，構筑并利用“倒置”光子收集通道來對隧道結中單分子電致發(fā)光的性質、尤其是光子發(fā)射的角向分布特征進行高分辨的表征，研究隧道結中分子發(fā)光的躍遷偶極取向，探索通過改變隧道結等離激元模式來調控單分子發(fā)光的光子輻射方向與偏振方向的方法。研究結果不僅有助于理解分子在納米環(huán)境中的光電行為，而且有助于探索隧道結中的電子、激子、聲子、表面等離激元和光子等之間的相互耦合和轉化過程，為今后設計和優(yōu)化基于分子光源的有源等離激元器件提供科學基礎與依據。

對納米尺度磁性器件中自旋極化電流直接調控磁矩的行為特性開展系統深入研究，將極大推進自旋轉矩型磁性隨機存儲器和微波振蕩器等新型自旋電子器件的開發(fā)。本項目針對自旋閥和磁性隧道結中自旋轉矩效應的機理和其它一些關鍵科學技術問題開展了系列研究。在該項目資助下，共發(fā)表了24篇SCI論文(含APL 10篇)。項目執(zhí)行期間主要取得以下結果：1）開發(fā)了包含自旋轉移矩垂直項的微磁模擬程序，研究了磁性隧道結器件中面內和垂直項共存時電流驅動的磁動力學特性，揭示了垂直轉矩項對磁化翻轉的加速作用依賴于電流方向；2）設計了一種翻轉速度能夠提高近10倍的“垂直-面內”雙自旋極化型先進自旋閥結構，并發(fā)現其自旋轉矩強度表現為“不翻轉、翻轉、和周期振蕩”三種不同的動力學行為參數空間；3）建立了經過多次散射后自旋轉矩STT效率因子的解析模型。發(fā)現多次反射效應的引入不僅使STT臨界翻轉電流密度降低，而且會改變自由層的進動頻率隨電流變化的對稱性，表現為負電流時頻率變化迅速的特點；4）在保持強垂直各向異性的前提下，獲得了一種可有效提高Co/Ni多層膜垂直矯頑力的的在位熱處理方法；5）此外，在反鐵磁垂直交換耦合強度的溫度依賴性、磁阻尼系數的界面影響、納米線中磁疇壁的退釘扎行為和飛秒激光調控的超快退磁過程等方面也得到不少有意義成果。

磁性隧道結是磁性隨機存儲器（MRAM）的首選記錄單元材料，研究流過納米存儲單元的自旋極化電流所產生的轉矩作用是當前國際磁學界的一個重要熱點領域。與近幾年研究較多的面內自旋轉矩效應相比，2008年新發(fā)現的垂直自旋轉矩效應是電流驅動隧道結磁化翻轉的又一關鍵因素，對研發(fā)電流直接操控的自旋轉矩型MRAM至關重要。然而有關該效應的物理機理、特性和作用等基礎性研究才剛剛起步，亟待深入探討。本課題擬采用微磁學方法，發(fā)展隧道結中的自旋轉矩模型，研究垂直自旋轉矩與偏壓、隧道結結構對稱性等因素的依賴關系，闡明垂直自旋轉矩效應的物理機制，進而理論優(yōu)化隧道結器件結構，探討降低翻轉電流的有效方法和途徑，為發(fā)展新型電流直接驅動的MRAM奠定理論基礎。

繼續(xù)摸索中間絕緣層的生長工藝，并利用各種微電子加工技術，制備出磁場電阻高、結電阻低、重復率好的優(yōu)質單勢壘磁隧道結材料。深入研究磁隧道結的偏壓特性，運用全量子力學模型，結合磁振子、聲子的激發(fā)及界面能級結構的變化，對隧道結磁電阻隨偏壓變化的現象作出理論詮釋。制備雙勢壘磁隧道結或選擇自旋極化率符號相反的鐵磁電極材料，研究反常隧道磁電阻現象及其隨外加偏壓的變化。 2100433B