有机自组装给体-受体体系中的磁电耦合效应

Recently, magnetoelectric coupling in organic self-assembled donor-acceptor complexes is attracting more attention due to its room temperature magnetism and magnetoelectric coupling. Unfortunately, the origin of magnetism and the mechanism of magnetoelectric coupling within organic self-assembled donor-acceptor complex are still covered, such as, what is the main factor leading to spin alignment? What is the physical mechanism for the organic magnetoelectric coupling? et al.. In this project, by combining the experimental measurements and theoretical simulation, we try to present a further study on the origin of magnetism and magnetoelectric coupling mechanism. Experimentally, π-π stacking method is adopted to fabricate organic donor-acceptor crystals. By controling crystal size and dimension, external field (electric field, magnetic field, light) dependent electric polarization and magnetization will be seriously investigated, and the performance of magnetoelectric coupling will be modified to a high level at room temperature. Associating experimental phenomena and DFT calculations, we will reveal the origin of magnetism and magnetoelectric coupling in organic donor-acceptor crystals. We believe, by carrying out this project, organic multiferroics will be further understood and many new interesting phenomena will be discovered in organic donor-acceptor crystals.

有机自组装给体-受体体系中的磁电耦合效应是有机自旋电子学近几年的一个重大发现，其特点是室温具有磁性和磁电耦合效应。目前对于有机自组装体系内磁性起源以及磁电耦合产生机理并没有清晰的认识，是什么因素诱导了自组装体系内自旋趋向排列？体系磁电耦合效应的物理机制是自旋序诱导的铁电性，还是铁电序诱导的磁性？等等。本项目将分别从实验和理论的角度出发，抓住有机的特点，开展对有机自组装体系的磁性起源及磁电耦合机理的深入研究。实验上采用π-π堆积的方法组装有机给体-受体晶体，通过调节外界生长环境来控制晶体的尺度和维度，研究体系在外场（磁场、电场、光场）作用下的电极化和磁化信号的响应，优化室温下有机给体-受体晶体内磁性和磁电耦合效应。结合密度泛函理论，揭示有机自组装给体-受体体系内磁性来源和磁电耦合的物理机制。该项目的开展对于探索有机自组装给体-受体体系中新的物理现象具有重要的意义。

有机半导体材料具有结构可塑性，易衍生性等特点，其背后仍蕴藏着许多新奇的物理现象和巨大的应用潜力。为实现有机半导体器件更为广泛的应用，有机分子需增强自身的多功能性。目前，若有机材料同时具备铁磁极化和铁电极化两个序参量能够为有机多态存储器的研制提供可能。因此，使有机半导体材料室温下自身具有铁磁性以及磁电耦合效是现阶段有机半导体需要解决的新物理问题。基于此，本项目开展了有机铁磁性给体-受体电荷转移晶体的制备、探讨了有机材料内磁性来源以及磁电耦合效应的物理机制、研究了外场对有机给体-受体晶体材料内自旋态和电极化调节等方面的内容。本项目通过3年的实施，i) 制备出了Pyrene-F4TCNQ、Pyrene-TCNQ铁磁性晶体，以及MAPbBr3/P3HT纳米线铁磁性异质结；ii) 揭示了有机材料内磁性来源以及磁电耦合效应物理本质：在有机电荷转移给体-受体晶体中，电荷转移能够引起闭壳层的破缺，使传统闭壳层结构的有机晶体材料转化成为开壳层结构，进而实现了其自旋的自发极化。此外，通过外界电场改变给体-受体共晶中的电荷转移量能，可改变闭壳层的破缺程度，进而控制其磁化强度。并且，通过对有机电荷转移共晶磁电耦合各向异性的测试，更进一步确定外电场作用下电荷转移量改变所导致磁化强度变化是磁电耦合效应的本质；iii) 依据不同材料对不同波段光吸收差异的情况，选择性地激发有机给体或者受体，实现不同频率光对磁化强度的调节。此外，由于圆偏振光光子具有自旋角动量，光子的自旋与电子的自旋发生相互作用同样能够改变电子的自旋态，进而实现了偏振光对有机磁性材料内磁化强度的调节。总之，基于本项目的执行，我们实现了有机给体-受体晶体材料内自旋的自发极化、揭示了磁性来源以及磁电耦合效应的物理本质，实现了外场对有机磁性材料内自旋态的调控，突破了人们对有机材料的传统认识，拓展了凝聚态物理中的自旋电子学等相关研究领域。