有机手性序构中的自旋极化及光-磁新效应

Designing organic ferromagnetic materials is one of the latest research topics in the area of organic spintronics. Within 5 years, we have realized room temperature ferromagnetism in organic charge transfer complexes without transition metal doping. To date, because this is a burgeoning research topics, there are many unsolved physical problems in organic ferromagnetic charge transfer complexes: How to increase the tunability of magnetization by the polarized light; what is the mechanism of the interaction between the photon and electron spin. In this project, we plan to fabricate organic chiral ferromagnetic materials and study the interaction between the photon and electron spin. Because of the plasticity of organic materials and weak spin-orbital coupling, many types of organic chiral structure with ferromagnetism are expected to be fabricated. Through analysis the relationship between the chirality and spin polarization, we try to improve the performance of ferromagnetization. Furthermore, polarized light dependent magnetization and magnetic domain in organic chiral ferromagnetic materials should be also seriously to uncover the interaction between the photon and electric spin, where it is expected that we can discover more unusual opto-magnetic phenomena. Overall, through carrying out this project, more chiral ferromagnetic materials can be fabricated, and the mechanisms of light-spin interaction can be explored to promote the application of the information conversion between light and spin in the future.

室温有机铁磁材料的结构设计与构筑是目前有机自旋电子学领域新兴方向之一。近五年，申请人开展了有机铁磁体的制备及相关研究，实现了无过渡金属掺杂下的有机小分子和聚合物电荷转移体系的室温铁磁性。由于有机铁磁材料自旋相关效应的研究正处于起步阶段，此领域存在许多亟待解决的问题：如何提高光对有机铁磁材料内自旋态的调控；光子与电子自旋相互作用的物理机制等。本项目将抓住有机材料的结构可塑性强以及自旋-轨道耦合弱等特点，首先开展有机手性序构铁磁材料的结构设计，归纳手性序构与自旋极化强度之间的关系，优化有机手性序构材料的铁磁性。进而通过光-磁器件的制备，研究偏振光激发下的手性序构铁磁材料磁化强度、磁畴等变化，探索光-磁效应新现象和新机理，力求在揭示光子-电子自旋相互作用机制等方面取得突破。总之，该项目的开展将有助于扩展手性功能序构材料的种类，推动有机材料在高灵敏光-自旋信息转换领域的应用。

有机自旋电子学领域中室温下有机铁磁晶体的相关研究仍然处于探索阶段，提高有机磁体的磁性以及理解有机铁磁晶体中光对自旋的调控和耦合机制仍需进一步的研究。手性已经在自旋电子学领域发挥了一些关键作用，手性诱导的自旋选择效应（CISS）已经可用于自旋调控的研究。基于此，我们对存在手性构序的有机铁磁晶体开展了一系列的光-磁新效应的研究。.依托本项目，我们研究了声子和手性结构对于铁磁有序的产生和调控的影响。生长了Pyrene/F4TCNQ、Coronene/TCNQ等多种具有丰富磁光性质的有机晶体。通过晶体结构设计、手性分子辅助、手性溶剂诱导等手段，将手性引入有机材料自组装的过程中，生长了Fe-TPPS有机手性铁磁纳米棒、Bper/FTCNQ手性电荷转移亚铁磁体等一系列具手性构序的有机铁磁晶体。有机手性晶体中的螺旋势场可以有效增加轨道效应，从而可以实现对晶体中电子自旋的外场调控，为我们在本项目中开展的有机晶体中自旋的光场调控的研究打下了基础。.随后，我们开展了光对有机铁磁晶体内自旋态的高灵敏控制和光控电子自旋的内在物理机制的研究。电子自旋与光子之间可能直接相互作用，也可能通过自旋-轨道-光子间接相互作用。通过将螺旋结构引入有机铁磁体中，我们实现了光场对手性磁体中自旋的调控，优化了室温有机铁磁晶体的结构与性能。我们发现，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。我们研究了光子-自旋之间的相互作用及其诱导的新奇光-磁现象，分析了有机铁磁晶体内偏振光对自旋相干态的调控，进一步探索了光调控有机铁磁体内自旋态的规律和物理机理。.基于以上研究，申请人以通讯作者在Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano等期刊发表论文16篇。我们设计了有机磁电耦合器和圆偏振光探测器，我们的研究有望推动有机材料在自旋光探测、光磁存储等领域的应用和发展。