有机铁磁材料与器件的结构设计和外场调控

Room temperature organic ferromagnetic crystal is one of the big discovery in the area of organic spintronics. However, there are many unsolved physical problems, such as, unclear origin of ferromagnetism, weak magnetization, out of control of spin by light field et al. In this project, based on the special characteristic of organic materials, we focus on the research on the physical properties of organic ferromagnetic crystals. Experimentally, π-π stacking method is adopted to prepare organic ferromagnetic crystals. Especially, we will lay stress on the growth of chiral polymeric crystals through involving chiral solvents. Through changing the organic crystals growth parameters, crystal structure and ferromagnetic performance can be optimized, and the origin of ferromagnetism will be revealed through combining experimental analysis and theoretical results. In addition, through using the electric field, scalar light and vector light to tune magnetization and susceptibility, the mechanism of the interaction of electric field with spin and the interaction of light with spin will be explored, and the tendencies of electric field control of spin and light control of spin can be also clarified. By carrying out this project, organic strong ferromagnetic magnets can be fabricated, and the mechanisms behind novel phenomena of electric field-spin interaction and light-spin interaction will be explored, which is of scientific significance and application value.

室温有机铁磁晶体是有机自旋电子学领域近几年的重大发现之一。目前，有关此领域相关性质的研究正处于起步阶段，尚存在许多亟待解决的物理问题，如磁性来源不明确、饱和磁化强度弱、光控自旋态手段缺失等等。本项目将抓住有机的特点，开展对室温有机铁磁晶体相关物理性质的研究。实验上采用π-π堆积的方法制备有机铁磁晶体，重点利用手性溶剂诱导非手性的有机半导体组装成为手性有机铁磁晶体。通过调节单晶和共晶生长环境参量，优化晶体结构，制备较强磁性的有机铁磁晶体，并综合分析实验现象和理论计算结果，揭示有机铁磁晶体内磁性来源；采用电场、标量光场和矢量光场调节有机铁磁晶体的磁化强度和磁化率，阐明有机铁磁晶体内电-自旋、光-自旋相互作用机制，揭示电控自旋和光控自旋的规律。该项目的开展对较强磁性有机铁磁晶体的制备以及探索有机铁磁晶体内新奇电-磁、光-磁效应的物理机理具有重要的科学意义和应用价值。

与有机材料中光电性质方面的研究相比，自旋相关的研究起步较晚，且发展较为缓慢。目前室温下有机铁磁性相关的研究仍然处于探索阶段，且存在磁性弱、磁性来源不清晰、结构及性能不稳定等问题。同时，如何实现有机铁磁晶体中光对自旋的调控、如何理解有机铁磁晶体内光与自旋的耦合等一系列问题都值得去研究、去探索。.在本项目的支持下，成功制备了P3HT纳米线/C60、P3HT纳米线/PTCDI、Pyrene/F4TCNQ、Coronene/TCNQ等多种具有丰富磁光性质的有机晶体。基于所生长的晶体并结合理论计算，研究了自旋相关的激子、电子空穴对、光子、极化子的动态演化过程，分析总结了有机铁磁晶体的磁性来源。我们的研究表明，电荷转移、有机分子结晶、邻近给受体分子的构型和电-声子耦合是影响有机铁磁晶体磁性的关键因素。.随后，开展了对于有机晶体中的电子自旋的磁场、光场和电场的调控工作。对于手性晶体，螺旋势场可以有效增加轨道效应，在实现电子自旋的外场调控中发挥了关键作用。手性诱导的轨道角动量可以打通有机材料中电子自旋-轨道-光子的相互作用通道，实现光场对电子自旋的调控。同时，外部的磁场可以通过极化电子的自旋对通过有机晶体的光子的偏振态产生影响。这将引起有机晶体中的新颖的磁光耦合效应。.此外，对于有机手性电荷转移磁体，电场能够进一步破坏轨道角动量的对称性，引起磁-光-电的多场耦合。在有机电荷转移铁磁体中，电场可以改变电荷转移速度和解离率来影响自旋极化，实现磁电耦合。同时，电荷的局域性、单三态比例可以受外部的磁场的调控以导致磁电耦合现象。基于以上研究，设计了有机磁光器件、有机磁电耦合器件和圆偏振光探测器件，我们的研究有望推动有机材料在自旋光探测、光磁存储和3D成像等领域的应用和发展。.本项目负责人秦伟依托本项目以通讯作者发表SCI论文22篇，包括：Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、NPG Asia Materials、npj Flexible Electronics、Advanced Optical Materials、Applied Materials Today、Applied Physics Letters等