固体表面自旋交叉分子的高通量计算筛选与发现
批准号:
22063002
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
42.0 万元
负责人:
张亚超
依托单位:
学科分类:
化学模拟与应用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张亚超
中文摘要
自旋交叉分子可作为磁开关应用于自旋电子器件中。然而,从分子到器件往往涉及分子在固体表面的负载问题。分子的磁学特性会因此发生一定的变化,甚至完全消失。因此,迫切需要在单分子层次上明确吸附对自旋自由度的影响,以找到合适的基底。数据驱动的计算材料发现适用于这类问题,但是尚缺乏有效的材料描述符。申请人发现自旋态分裂能可作为衡量固体表面分子自旋交叉活性的关键参数。为了准确计算这个量,需要同时处理好非共价相互作用和强关联效应,且引入依赖于化学环境的局域关联效应至关重要。本项目拟基于这些理论发现,以稳定吸附分子的自旋态分裂能为描述符,对固定在常见金属、半导体表面,以及二维材料上的Fe(II)配合物开展高通量计算筛选,以寻找可用的自旋交叉体系。同时,本研究将建立表面分子材料数据库,以结合机器学习技术挖掘结构与磁性质之间的深层次关系,从而加快新材料的发现。本研究有望设计出可供实验进一步探索的表面分子磁体。
英文摘要
Spin-crossover molecules could act as magnetic switches with applications in spintronics. Fabricating devices from molecules remains, however, a challenging task since it requires the deposition of molecules on solid state surfaces. Due to molecule-substrate interactions, the molecular spin-crossover properties can be drastically tailored or even completely lost in some cases. Thus, it is essential to understand how deposition dictates the spin degrees of freedom at single-molecule level, in order to find substrates that preserve or enhance spin-crossover behaviors of molecular adsorbates. Data-driven computational materials discovery appears to be a promising tool to tackle this problem. However, it is still difficult to perform this task due to the lack of an appropriate descriptor of the magnetic properties of molecule-substrate systems. Recently we have shown that the spin-state splitting can well characterize spin-crossover behaviors at surface. To evaluate this physical parameter accurately, it is critical to incorporate strong correlation effects and dispersion interactions within density-functional theory. Further, the prediction is improved considerably by introducing the local Coulomb correlation that depends on the chemical environment. Based on these findings, we will perform high throughput computational screening of Fe(II) complexes deposited on metallic and semiconductor surfaces as well as two-dimensional materials to search for appropriate spin-crossover systems, using the spin-state splitting of stable molecular adsorbates as a simple descriptor. Meanwhile, we will create a computational molecule-surface materials database, which could be used by machine learning techniques to identify deep correlations between structures and magnetic properties, and thus should be useful for accelerating the chemical discovery of new materials. This study would provide a set of promising surface-supported molecular magnets for experimental investigation.
本项目以筛选适用于自旋交叉分子器件的固体材料基底为主要研究目标,基于脚本语言Python建立了可用于自旋交叉分子材料的高通量第一性原理计算流程,针对表面自由度以及将分子集成到器件的可行性进行了深入探索。以典型的自旋交叉分子[Fe(py)2bpym(NCS)2]为例,在Al(100)表面,高低自旋态分裂能增加了10–40 kJ/mol,这不利于自旋转换的发生。通过电子结构分析发现,金属基底对低自旋态的偏好部分来源于磁性中心3d电子的强关联效应。同时,表面环境限制了振动熵的增加,使熵变减小了8–17 J/(mol K) (在300 K温度下),由此导致更高的临界温度。这些结果表明,电子能级和振动能级移动是表征自旋跃迁过程的有效材料描述符,可作为高通量筛选的主要材料特征。为了降低初始构型对结果的影响,本研究采用局部几何结构优化与高温分子动力学模拟相结合(全局结构优化)的方式对分子的吸附构型空间进行系统搜索。以二维半导体MoS2为基底,通过全局结构优化发现,分子可以表现出高自旋基态,从而可能实现可逆的自旋转变,这与在金属基底上观察到的低自旋态锁定形成鲜明对比。这种变化主要归因于界面处发生的非共价相互作用。此外,从电子结构的角度研究了n型分子掺杂。计算结果显示,由于自旋态切换时界面处电偶极子的波动,带边位置发生显著的偏移,可达0.3 eV。这一结果表明,通过使用外部触发器操纵分子自旋状态,可以调节异质结内析氢和CO2还原反应的光催化选择性。以平面型分子铁酞菁(FePc)为模型,探讨一种可用于实际器件的基底:石墨烯覆盖的贵金属Ir(111)表面。这种基底既可以保护分子的自旋双稳态特性,同时能够保证导电性。本研究还深入探索了在非平衡器件环境下,电流引发分子自旋交叉效应的可能性,为利用电流操纵分子的自旋态奠定了基础。
自旋交叉分子材料临界温度的动力学平均场理论研究
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批准号:21763008
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2017
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负责人:张亚超
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依托单位:
金属表面单分子自旋态电场调控的第一性原理研究
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批准号:21503049
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2015
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负责人:张亚超
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依托单位:
国内基金
海外基金