隧道结中单分子电致发光的角向分布研究

本项目紧密围绕研究目标，在隧道结发光的角向分布、偏振和光谱特征以及分子发光的跃迁偶极特性的表征方面，开展了一系列的工作，取得了若干成果：（1）在仪器研制方面，研制了与超高真空低温STM联用的后焦面光子探测系统，实现了对隧道结中光子发射的角向分布特性的表征；研制了与超高真空低温STM联用的HBT系统，实现了对隧道结中光子发射统计特性与偏振特性的表征；发展出了具有亚纳米空间分辨的光致荧光成像技术，实现了对分子的跃迁偶极取向的实空间表征；（2）在科学进展方面，研究了卟啉分子J型聚合体的电致发光特性，发现其电致发光特征受到分子间偶极-偶极相互作用影响，并讨论了在不同隧穿电流下卟啉J-型聚集体与纳腔等离激元的相互作用特性；研究了分子发光与偶极-偶极作用的关系，利用发展出的亚纳米空间分辨的荧光成像技术，实现了对分子间相干偶极相互作用的实空间直接观察，开辟了研究分子间相互作用和能量转移的新途径，同时也为光合作用中分子捕光结构的优化和分子纠缠体系及其光源的调控提供了新的思路；设计并通过微纳加工制备了具有中心缺陷结构的二维等离激元光子晶体纳米阵列，并将其作为衬底引入到STM中，并研究其缺陷模式形成的光学共振微腔对针尖诱导的纳腔等离激元的增强效应和模式调控作用。 到目前为止，已在SCI期刊上发表研究论文5 篇，其中有较重要影响的论文包括Nature 1篇，Applied Physics Letters 1篇，Nanoscale 1篇；项目负责人在2016年获得基金委优秀青年基金支持，与合作者一起培养博士研究生3 名。

分子尺度上的光电器件集成是未来信息能源技术中的一个重要发展方向，其科学基础在于纳米尺度下对光电相互作用与转化过程的认识和调控。本项目将利用高分辨扫描隧道显微镜与高灵敏光学检测的联用技术，以含共轭π电子体系体系的有机多功能光电分子为研究对象，利用隧穿电子的高度局域化激发，构筑并利用“倒置”光子收集通道来对隧道结中单分子电致发光的性质、尤其是光子发射的角向分布特征进行高分辨的表征，研究隧道结中分子发光的跃迁偶极取向，探索通过改变隧道结等离激元模式来调控单分子发光的光子辐射方向与偏振方向的方法。研究结果不仅有助于理解分子在纳米环境中的光电行为，而且有助于探索隧道结中的电子、激子、声子、表面等离激元和光子等之间的相互耦合和转化过程，为今后设计和优化基于分子光源的有源等离激元器件提供科学基础与依据。

对纳米尺度磁性器件中自旋极化电流直接调控磁矩的行为特性开展系统深入研究，将极大推进自旋转矩型磁性随机存储器和微波振荡器等新型自旋电子器件的开发。本项目针对自旋阀和磁性隧道结中自旋转矩效应的机理和其它一些关键科学技术问题开展了系列研究。在该项目资助下，共发表了24篇SCI论文(含APL 10篇)。项目执行期间主要取得以下结果：1）开发了包含自旋转移矩垂直项的微磁模拟程序，研究了磁性隧道结器件中面内和垂直项共存时电流驱动的磁动力学特性，揭示了垂直转矩项对磁化翻转的加速作用依赖于电流方向；2）设计了一种翻转速度能够提高近10倍的“垂直-面内”双自旋极化型先进自旋阀结构，并发现其自旋转矩强度表现为“不翻转、翻转、和周期振荡”三种不同的动力学行为参数空间；3）建立了经过多次散射后自旋转矩STT效率因子的解析模型。发现多次反射效应的引入不仅使STT临界翻转电流密度降低，而且会改变自由层的进动频率随电流变化的对称性，表现为负电流时频率变化迅速的特点；4）在保持强垂直各向异性的前提下，获得了一种可有效提高Co/Ni多层膜垂直矫顽力的的在位热处理方法；5）此外，在反铁磁垂直交换耦合强度的温度依赖性、磁阻尼系数的界面影响、纳米线中磁畴壁的退钉扎行为和飞秒激光调控的超快退磁过程等方面也得到不少有意义成果。

磁性隧道结是磁性随机存储器（MRAM）的首选记录单元材料，研究流过纳米存储单元的自旋极化电流所产生的转矩作用是当前国际磁学界的一个重要热点领域。与近几年研究较多的面内自旋转矩效应相比，2008年新发现的垂直自旋转矩效应是电流驱动隧道结磁化翻转的又一关键因素，对研发电流直接操控的自旋转矩型MRAM至关重要。然而有关该效应的物理机理、特性和作用等基础性研究才刚刚起步，亟待深入探讨。本课题拟采用微磁学方法，发展隧道结中的自旋转矩模型，研究垂直自旋转矩与偏压、隧道结结构对称性等因素的依赖关系，阐明垂直自旋转矩效应的物理机制，进而理论优化隧道结器件结构，探讨降低翻转电流的有效方法和途径，为发展新型电流直接驱动的MRAM奠定理论基础。

继续摸索中间绝缘层的生长工艺，并利用各种微电子加工技术，制备出磁场电阻高、结电阻低、重复率好的优质单势垒磁隧道结材料。深入研究磁隧道结的偏压特性，运用全量子力学模型，结合磁振子、声子的激发及界面能级结构的变化，对隧道结磁电阻随偏压变化的现象作出理论诠释。制备双势垒磁隧道结或选择自旋极化率符号相反的铁磁电极材料，研究反常隧道磁电阻现象及其随外加偏压的变化。 2100433B