有机半导体二维自旋输运及原型器件研究

Spintronics studies the control and utilization of electron spin degrees of freedom. The introduction of spin manipulation creates new functionalities to traditional electronic and optoelectronic devices. In particular, the long spin relaxation time and coherence length in semiconductors can produce conceptually new solid state devices based on quantum control and quantum computing, which may lead to a new revolution in information science. In organic semiconductors, the low atomic weights result in weak spin scattering by spin-orbit interaction, and the spin of the carriers can be preserved longer than in inorganic semiconductors. The organic magnetic resistance effect can be up to 300%. In this proposal, we will study the spin transport mechanisms and related phenonena including spin relaxation and spin injection in two-dimensional quasi-ordered organic semiconductor films. Base on the understanding of the spin transport properties of two-dimensional quasi-ordered organicin semiconductor thin films, we will fabricate prototype organic semiconductor two-dimensional spin-logic devices. The goal of the proposal is to promote the development and innovation of organic spintronics.

自旋电子学研究对电子的自旋自由度的操纵及利用。对自旋控制的概念引入，使传统的电子和光电子器件增加了新的功能。特别是由于在半导体中特别长的自旋弛豫时间和相干长度，会产生在概念上全新的基于量子调控和量子计算的固体器件，从而可能引发一场新的信息科学的革命。在有机半导体中，由于较低的原子量导致自旋-轨道相互作用对自旋的散射非常微弱，从而载流子的自旋可以比在无机半导体中保存更长的时间，其有机磁电阻效应可高达 300 %。在本课题中，我们深入研究和理解在二维准有序有机半导体薄膜中的自旋传输机理以及与其密切相关的自旋弛豫、自旋注入等现象，并通过对二维准有序有机半导体薄膜自旋输运特性的深入理解，制作有机半导体二维自旋逻辑原型器件，推动有机自旋电子学的发展和创新。

自旋电子学研究对电子的自旋自由度的操纵及利用。对自旋控制的概念引入，使传统的电子和光电子器件增加了新的功能。特别是由于在半导体中特别长的自旋弛豫时间和相干长度，会产生在概念上全新的基于量子调控和量子计算的固体器件，从而可能引发一场新的信息科学的革命。在有机半导体中，由于较低的原子量导致自旋-轨道相互作用对自旋的散射非常微弱，从而载流子的自旋可以比在无机半导体中保存更长的时间。在本项目中，我们深入研究了二维准有序有机半导体薄膜的制备工艺，并利用弱取向外延生长成功制备出高有序、大尺寸畴酞菁薄膜，以及利用分子束外延生长出高质量的铁磁单晶薄膜并实现了磁性电极自旋极化率的界面调控，发现重金属与与磁性材料之间的相互作用能有效调控磁性材料的自旋极化率。通过自旋分辨时间分辨角分辨光电子能谱系统研究了有机半导体和铁磁电极之间形成的界面，发现除了可以调控界面电子结构外，有机半导体与铁磁电极之间的相互作用方式和强度会直接影响铁磁电极的自旋极化率。设计出了non-local有机自旋电子器件，发现non-local测得的器件磁阻与有机自旋阀中的器件磁阻符号相反，通过测量垂直磁场作用下电子自旋的进动，能观察到微弱的hanle信号。制备出了无磁性材料自旋器件，发现探测到可达几十毫伏的电压信号，对应于Pt的自旋霍尔角达0.2，与理论预测相一致，说明利用Pt的自旋-轨道耦合可以有效产生自旋流。采用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数方法，研究了分子磁体自旋器件的电荷输运性质研究。发现通过改变配位金属原子，分子器件可以实现金属双嘧啶分子器件的自旋输运调制，另外还从理论上预测了PTB 分子器件能实现双极化自旋过滤效应、整流效应和负微分电阻效应。综上所述，本项目从表界面自旋、自旋理论、新型自旋电子原型器件设计等方面进行了深入的研究,将有利于有机自旋电子学的发展和创新。