探索自旋界面对自旋极化电子在铁磁-有机杂化自旋电子存储器的意义

Using spin degree of freedom as information carriers in non-magnetic organic semiconductors, and fabricating corresponding spintronic memories are the efficient methods to solve quantum phenomena and high energy dissipations in low-dimensional electronic devices. In the present development of organic spintronics, spin injections and spin transports in organic semiconductors are greatly influenced by the conductivity mis-match between ferromagnets and organic semiconductors, as well as their newly formed spinterfaces. This project aims at fabricating new ferromagnet-organic hybrid spintronic memories, investigating contributions given by the spinterfaces for spin injection, spin transport, spin manipulation and spin detection; meanwhile, applying spin-transport methods for characterizing magnetic coupling, tunneling anisotropic magnetoresistance, tunneling anisotropic capacitance; and, how the Bychkov-Rashba spin orbit coupling effect which is generated by ferromagnetic surfaces and device structural inversion asymmetric behaviors affects the tunneling anisotropic magnetoresistance. The research will pave the way for the foundation of spinterfaces in organic spintronics. Results are expected to efficiently promote organic spintronics in applications of high-speeds, high-densities, and energy efficiencies for information processing and data storages.

将自旋极化电子作为信息载体引入非磁性有机半导体材料中并制备相关的自旋电子存储器，是解决低维度器件所引起的量子效应和高能耗的有效方法。在有机自旋电子发展中，由于铁磁和有机半导体电子结构不匹配，以及两者自发形成的杂化自旋界面的问题，将对自旋在有机半导体中传输有着重要影响。本项目将通过制备铁磁-有机杂化自旋电子存储器，探索其自旋界面在自旋注入、自旋传输、自旋调控、自旋探测中的物理机理，运用自旋极化电子输运方法表征其自旋界面对磁矩耦合、隧穿各向异性磁电阻、隧穿各向异性磁电容的物理现象，研究铁磁表面和自旋界面结构反演不对称所产生的Bychkov-Rashba自旋轨道耦合对隧穿磁电阻的影响。此研究将进一步奠定杂化自旋界面在有机自旋电子学中的物理基础，并通过优化自旋界面性质制备出具有单层铁磁薄膜、高效稳定的自旋存储器。研究成果将有效地推动有机自旋电子学在高速度、高密度、高效节能信息处理和存储方面的应用。

有机-无机杂化钙钛矿是同时具备自旋轨道耦合、半导体性质、铁电极化三大物理属性的新型多功能自旋光电子材料，这三大物理属性可使自旋、光伏、发光效应有效的联系起来。综合考虑自旋轨道耦合、半导体性质、铁电极化，将为进一步发展自旋光电子学提供创新型思路。本项目课题以制备基于有机-无机杂化钙钛矿代表性半导体材料铅基钙钛矿CH3NH3PbI3-xClx自旋光电子器件为基础，主要通过自旋极化电子输运、磁电阻、电子顺磁共振、磁场效应、阻抗谱及相关理论模型来表征和研究自旋极化电子和电荷载流子在该类器件中的电学输运现象，深入研究自旋光电子体系中铅基钙钛矿CH3NH3PbI3-xClx与铁磁材料镍(Ni)所构成的自旋界面，通过该课题来阐明如下关键性科学问题：通过磁电阻对Ni/CH3NH3PbI3-xClx/Ni钙钛矿自旋阀来进行表征，揭示出铁磁Ni与CH3NH3PbI3-xClx界面存在较强的自旋依赖性，面内各向异性磁阻和与自旋阀相关的磁阻分别表现出明显的自旋界面效应和磁开关行为，利用磁场依赖的电容-频率表征手段证实界面处的自旋聚集，进一步借助电子顺磁共振和磁致光电流阐述Ni/CH3NH3PbIxCl1-x自旋界面的物理属性。该工作的亮点在于证实了溶液法所制备的铅基钙钛矿薄膜可与铁磁金属形成自旋界面，并在室温下可测得显著的磁电阻信号。本项目为有机-无机杂化钙钛矿材料在自旋光电子学特别是自旋存储器上的发展和应用提供了科学依据。