利用第一性原理非平衡态动力学团簇理论研究发现Fe/vacuum/Fe中铁表面粗糙的聚集和反聚集现象对电子隧穿存在巨大影响。

上：Fe/vacuum/Fe结构示意图；中：反聚集、随机和聚集分布的表面粗糙示意图；下：平衡态下费米能量上粗糙浓度为0.6时不同粗糙分布不同自旋通道透射系数。

随着电子器件尺寸的减小，杂质或缺陷的影响变得愈发重要。由于杂质或缺陷之间的相互作用，它们在空间的分布往往存在相互联系，会出现聚集或反聚集的分布。材料表面的粗糙也存在类似分布，并且可能会导致截然不同的表面态，使电子的输运性质发生极大改变，如STM实验结果对针尖结构高度敏感。因此，探究表面粗糙分布对电子隧穿性质的影响，对发展磁隧道设备和成像技术至关重要。另外，基于第一性原理非平衡态团簇理论的量子输运方法使理论上研究表面粗糙的空间分布对表面电子隧穿的影响变得可行。

最近，上海科技大学柯友启教授课题组从计算角度研究发现Fe/vacuum/Fe结构中Fe表面粗糙的空间分布对电子隧穿性质存在巨大影响。计算结果显示：（1）反聚集的表面粗糙分布的铁磁平行构型少数自旋通道和铁磁反平行构型自旋通道的投射系数出现数量级下降，而对铁磁平行构型多数自旋通道相比聚集的表面粗糙分布出现约40%的提升，导致铁磁平行构型的自旋极化隧穿出现从聚集的表面粗糙分布的-0.52到反聚集的0.93的反转，而完全随机的粗糙分布则会消解隧穿的自旋极化。（2）表面粗糙的空间分布会彻底地改变Fe表面间的少数自旋间的电子隧穿结果。

柯友启课题组利用其开发的基于高度局域化exact muffin-tin orbital (EMTO) 基组的第一性原理器件输运性质模拟程序包SIGMAX，结合非平衡态动力学团簇理论来处理无序器件的量子输运问题。具体而言，计算了Fe/vacuum/Fe结构Fe表面粗糙具有聚集、随机和反聚集的空间分布对电子隧穿性质的影响。该工作使用Warren–Cowley参数作为表面粗糙聚集程度的度量参数，发现反聚集的粗糙分布会极大抑制铁磁平行构型少数自旋通道和反铁磁平行构型的自旋通道，使其产生隧穿自旋极化反转。另外，研究人员发现在非平衡态下粗糙的不同分布会使Fe表面上的共振态发生偏移。

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