基于磁电阻效应的磁性隧道结是硬盘磁读头的核心结构单元之一,它更新了信息存储技术,使硬盘朝着高存储密度和微型化的方向迅速发展。随着其不断地小型化,人们开始关注使用有机分子作为磁性隧道结的中间层,构建分子磁性隧道结。相比于传统的无机材料中间层,有机分子体积更小、可修饰性更强、响应速度更快、成本和功耗更低。另外,有机分子的主要成分为碳、氢等轻元素,具有自旋轨道耦合弱和自旋弛豫时间长等优点,有利于自旋的调控和输运。然而,分子磁性隧道结中的自旋输运机制较为复杂,原因之一在于当有机分子与铁磁金属化学接触时会发生轨道杂化,产生杂化界面态。杂化界面态位于费米能级附近,对器件低偏压下的自旋输运性质起着决定性的作用。同时,其自旋极化性质对界面接触构型以及分子结构等因素较为敏感,具有较强的可控性。科研人员针对铁磁/分子自旋界面开展了大量的研究,然而,到目前为止,分子磁性隧道结中杂化界面态对自旋输运性质的影响机制尚不明确。如何通过操纵杂化界面态,进而调制分子磁性隧道结的自旋输运性质有待探索。本论文利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法,分别研究了分子的末端基团、质子化、分子内几何扭转角、量子干涉以及官能团等因素对分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。相关研究内容和结果概括如下:分子和铁磁金属的接触细节会对杂化界面态产生显著的影响,并且分子中不同杂化类型的原子可以与铁磁金属的3d轨道发生不同形式的界面杂化。在分子磁性隧道结中,末端基团是连接分子和铁磁电极的桥梁,影响着分子和电极之间的接触和耦合。我们选用不同杂化类型和电负性的末端原子,研究其对杂化界面态以及自旋输运性质的影响。研究结果表明杂化界面态的自旋极化率随能量的变化关系依赖于末端原子的杂化类型,并且电负性较大的末端原子会使自旋极化率曲线发生红移。这一红移将导致自旋极化率在费米能级附近发生明显变化。进一步的输运计算发现,分子磁性隧道结的自旋输运性质与杂化界面态有着密切的关系。当末端原子的杂化类型相同时,其电负性越大,器件在低偏压下的隧穿磁电阻越大。Brooke等人在实验中观测到了1,2-二(4-吡啶基)乙烯(4,4’-vinylenedipyridine,简称为44VDP)单分子结由溶液pH值变化引起的电导开关现象。他们指出这是由于44VDP分子中吡啶基团的质子化改变了分子与镍电极的连接所导致的,但是并没有给出详细的理论解释。我们基于实验中的44VDP单分子器件结构,进一步考虑了两个镍电极的相对磁化方向,研究了质子化对44VDP分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。研究结果解释了实验中发现的开关现象机制,即44VDP分子中吡啶基团的质子化减弱了分子和金属之间的界面耦合强度。更重要的是,我们发现质子化作用同时引起铁磁/分子杂化界面态数量减少和自旋极化性质改变,并进而导致分子磁性隧道结的自旋输运性质发生明显的变化,如隧穿磁电阻从正值到负值发生反转和电流自旋极化率大幅提升。在前面的研究工作中,我们通过改变分子和铁磁电极的接触细节来研究分子磁性隧道结中杂化界面态和自旋输运性质的变化。那么随后一个值得探究的问题是,如果保持分子和电极接触细节不变,只改变分子内部结构,分子磁性隧道结中的杂化界面态是否会发生变化,对自旋输运性质的影响又如何呢?我们首先研究了分子内几何扭转角对联苯分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。研究结果表明,随着联苯分子中两个苯环之间扭转角的变化,杂化界面态和分子轨道具有不同的响应机制。从态密度上看,杂化界面态几乎不发生改变,而分子轨道则会产生明显的移动;从透射谱上看,杂化界面态贡献的透射峰位置不变,高度发生变化,而分子轨道贡献的透射峰位置发生移动,高度几乎不变。进一步的输运计算表明,由杂化界面态贡献的自旋相关的电流随扭转角的增大受到抑制,且与扭转角余弦值的平方成正比,这与无明显杂化界面态效应的非磁性分子结中的相关结果一致。但是,在相对较高的偏压下,增大扭转角却可以使隧穿磁电阻得到增强。隧穿磁电阻随扭转角的变化依赖于偏压大小和杂化界面态的具体情况,后者可以通过更换末端基团来实现。在分子磁性隧道结中,费米能级附近的电子态对器件的自旋输运性质极为重要。除杂化界面态外,在单分子结中,另外一种在费米能级附近发生的可有效调控器件输运的现象是相消量子干涉,即电子透射几率在某些能量处被强烈抑制。我们探索了一种将杂化界面态和相消量子干涉相结合来操控分子磁性隧道结自旋输运性质的方法。通过将间位连接的低聚亚苯基亚乙炔基(Oligo-phenylene-ethynylene,简称为OPE)分子中间苯环的不同位置的碳原子用氮原子取代,发现可以有效地调节相消量子干涉反共振特点的位置。分子结构改变引起的相消量子干涉反共振特点位置的变化对杂化界面态的态密度几乎没有影响,但却可以选择性地抑制杂化界面态所贡献的透射几率。这最终导致电流自旋极化率的增强或减弱,实现了对分子磁性隧道结自旋输运性质的调控。依据相消量子干涉的反共振特点和杂化界面态的相对位置,具体提出了三种不同的调制模式,即相消量子干涉的反共振特点位于两个杂化界面态所贡献透射峰的中间、左侧或右侧,分别导致电流自旋极化率处于高、中和低三种强度。另外,我们还发现通过对OPE分子中间苯环上同一位置的氢原子进行侧基取代,也可以实现类似的现象。前面的研究工作表明,只改变分子内部结构几乎不影响杂化界面态的态密度,但影响杂化界面态贡献的透射几率。这是否是一个普遍的结论?我们进一步深入研究这个问题。保持分子和铁磁电极接触细节不变,我们研究了官能团对2,6-二苯乙炔基蒽醌(Anthraquinone,简称为AQ)分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。结果表明,通过在AQ分子交叉共轭位点上取代中性、吸电子和给电子官能团,发现可以对杂化界面态及其自旋极化率产生明显的调制作用。轨道分析发现,这是由于在该体系中官能团使分子轨道发生明显移动,以至于与杂化界面态重叠。进一步的输运计算发现,当使用吸电子官能团时,隧穿磁电阻在低偏压下得到增强,而在高偏压下发生反转。这是由于费米能级附近电子态自旋极化率的突变导致的。本论文共由以下八章内容组成:第一章为绪论,主要介绍了分子自旋电子学的发展历程,以及分子自旋电子器件和铁磁/分子杂化界面态效应的研究进展。第二章为理论计算方法,主要介绍了本论文后续的相关研究中所使用的理论计算方法:常用的电子结构计算方法——密度泛函理论,以及分子器件中电子输运性质计算方法——非平衡格林函数方法。第三章到第七章为所做的研究工作,详细介绍了研究的具体内容和得到的理论结果。其中,在第三章研究了末端基团对苯分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响,通过使用不同杂化类型和电负性的末端原子,发现了杂化界面态的自旋极化率和分子磁性隧道结的隧穿磁电阻随末端原子的变化规律。在第四章研究了质子化对44VDP分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响,不仅解释了实验上观测到的44VDP分子结随溶液pH值改变所发生的电导开关现象,还设计出了质子化控制的磁电阻反转和电流自旋极化率增强的多功能分子磁性隧道结。在第五章研究了分子内几何扭转角对联苯分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响,发现了杂化界面态与分子轨道随分子内几何扭转角的变化具有完全不同的规律。在第六章研究了量子干涉对OPE分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响,提出了一种利用位置可调控的相消量子干涉反共振特点来调制杂化界面态贡献的透射几率,进而操控电流自旋极化率的策略。在第七章中,通过对AQ分子的交叉共轭位点上取代不同性质的官能团,发现当保持分子磁性隧道结中分子和电极接触细节不变时,分子内的官能团取代引起的分子轨道的移动也能对杂化界面态的态密度产生明显的影响。最后,第八章为总结与展望,对本论文的研究工作进行了全面、细致的总结,并对分子磁性隧道结的未来发展进行了展望。