基于共轭聚合物的自旋阀器件研究

In recent years, spintronics has become a key technology for large-scale integrated circuits in the post-Moore era. π-conjugated molecular materials, such as polymers and graphene, their spin-orbit coupling interaction and hyperfine interaction are weak which result to longer spin relaxation length and spin coherent time, and this specificity is of much significance in future spintronic field. The application project intends to focus on the bottleneck problem in the field, combining with rich polymer materials synthesized and graphene single crystal grown by chemical vapor deposition in our group, and using a series of high mobility D-A polymers to fabricate the vertical and lateral spin device for better spinterface. In addition, we will also study the structure-performance relation between the polymer molecule and spin transport using different molecule structure. Moreover, we will modify the ferromagnetic electrodes surface and optimize the spinterface using single crystal graphene. Therefore, this research project is a prospective cross-cutting subject with exploratory, possessing scientific research significance.

近年来，自旋电子学已成为后摩尔时代大规模集成电路的关键技术。π-共轭分子材料如聚合物以及石墨烯，因其自旋-轨道耦合与超精细相互作用较弱，所以该类材料具有较长的自旋弛豫长度和自旋相干时间，这种特殊性使其在未来自旋电子学领域的发展有着更加丰富的意义。本申请项目针对当前该领域的瓶颈问题，结合课题组内合成的丰富聚合物材料及化学气相沉积法生长的石墨烯单晶，拟利用高迁移率的D-A型聚合物，通过不同的器件加工工艺，分别制备基于该类材料的垂直和水平自旋器件，得到较为优良的自旋传输界面，并且针对不同分子结构的聚合物分子构筑器件，研究聚合物分子结构与其自旋输运之间的构效关系；此外，利用高质量的单晶石墨烯等材料来修饰铁磁电极表面，来改善和优化铁磁电极与聚合物分子自旋输运界面。该研究工作是一项具有前瞻性、探索性和交叉性的基础研究课题，具有非常重要的科学意义。

分子自旋电子学是探究分子材料自旋属性的基础和应用科学研究，基于分子材料的结构特性，其具有较长的自旋传输距离及自旋弛豫寿命，因此被赋予了信息存储等领域的丰富内涵，在大面积、柔性、低成本、高密度、低功耗等方面具有明显优势。如何有效调控分子材料中的自旋载流子以及深入认识其中的自旋输运机理，仍是分子自旋电子学中的关键科学问题。在本项目中，一方面我们合成了一系列共轭聚合物半导体材料，制备了场效应晶体管及自旋阀器件，研究了其电子及其自旋输运性质，得到了较理想迁移率及较高的磁阻比（22%）；另外我们报道了使用优化制备的3D PMA的室温稳定的铁磁电极Pt/Co/Ru，为构建 3D PMA 铁磁电极和 2D 铁磁电极异质结构的半导体自旋电子自旋器件提供了一个参考。更重要的是，这里优化制备的Pt/Co/Ru制备方法简单，微纳加工便捷，不怕氧化，且居里温度大于室温，是应用于自旋电子器件特别是二维和有机分子材料的自旋阀器件的理想自旋注入来源。此外我们首次制备了全范德华 FGT/WSe2/FGT 自旋阀器件。基于不同厚度的 WSe2全vdWs 结构，我们观察到不同的电荷和自旋输运特性。更重要的是，基于 Δ-对称性电子选择性来解释该类器件的负MR现象。基于本项目的实施，我们从分子材料的合成、器件制备及物性研究、机理分析等方面全方位开展分子自旋电子学方面的研究，拓展了自旋电子学中分子材料的种类及应用，解决了分子自旋电子学中的关键科学问题。