有機半導體二維自旋輸運及原型器件研究

《有機半導體二維自旋輸運及原型器件研究》是依託中南大學，由高永立擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：有機半導體二維自旋輸運及原型器件研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：高永立
• 依託單位：中南大學

項目摘要

自旋電子學研究對電子的自旋自由度的操縱及利用。對自旋控制的概念引入，使傳統的電子和光電子器件增加了新的功能。特別是由於在半導體中特別長的自旋弛豫時間和相干長度，會產生在概念上全新的基於量子調控和量子計算的固體器件，從而可能引發一場新的信息科學的革命。在有機半導體中，由於較低的原子量導致自旋-軌道相互作用對自旋的散射非常微弱，從而載流子的自旋可以比在無機半導體中保存更長的時間，其有機磁電阻效應可高達 300 %。在本課題中，我們深入研究和理解在二維準有序有機半導體薄膜中的自旋傳輸機理以及與其密切相關的自旋弛豫、自旋注入等現象，並通過對二維準有序有機半導體薄膜自旋輸運特性的深入理解，製作有機半導體二維自旋邏輯原型器件，推動有機自旋電子學的發展和創新。

結題摘要

自旋電子學研究對電子的自旋自由度的操縱及利用。對自旋控制的概念引入，使傳統的電子和光電子器件增加了新的功能。特別是由於在半導體中特別長的自旋弛豫時間和相干長度，會產生在概念上全新的基於量子調控和量子計算的固體器件，從而可能引發一場新的信息科學的革命。在有機半導體中，由於較低的原子量導致自旋-軌道相互作用對自旋的散射非常微弱，從而載流子的自旋可以比在無機半導體中保存更長的時間。在本項目中，我們深入研究了二維準有序有機半導體薄膜的製備工藝，並利用弱取向外延生長成功製備出高有序、大尺寸疇酞菁薄膜，以及利用分子束外延生長出高質量的鐵磁單晶薄膜並實現了磁性電極自旋極化率的界面調控，發現重金屬與與磁性材料之間的相互作用能有效調控磁性材料的自旋極化率。通過自旋分辨時間分辨角分辨光電子能譜系統研究了有機半導體和鐵磁電極之間形成的界面，發現除了可以調控界面電子結構外，有機半導體與鐵磁電極之間的相互作用方式和強度會直接影響鐵磁電極的自旋極化率。設計出了non-local有機自旋電子器件，發現non-local測得的器件磁阻與有機自旋閥中的器件磁阻符號相反，通過測量垂直磁場作用下電子自旋的進動，能觀察到微弱的hanle信號。製備出了無磁性材料自旋器件，發現探測到可達幾十毫伏的電壓信號，對應於Pt的自旋霍爾角達0.2，與理論預測相一致，說明利用Pt的自旋-軌道耦合可以有效產生自旋流。採用密度泛函理論（DFT）結合非平衡格林函式方法，研究了分子磁體自旋器件的電荷輸運性質研究。發現通過改變配位金屬原子，分子器件可以實現金屬雙嘧啶分子器件的自旋輸運調製，另外還從理論上預測了PTB 分子器件能實現雙極化自旋過濾效應、整流效應和負微分電阻效應。綜上所述，本項目從表界面自旋、自旋理論、新型自旋電子原型器件設計等方面進行了深入的研究,將有利於有機自旋電子學的發展和創新。