基于分子半导体单晶的自旋输运研究

Spin transport is one of the most central issues of spintronics. Molecular semiconductors are characterized by the very low spin-orbit interaction, which, leading to long spin relaxation time, makes them ideal materials for spin transport. However, in most of the molecular materials, so far, reported spin transport distances were very limited even at low temperature, which seriously hinder the development of molecular spintronics. It is well considered that spin transport distance in molecules has close relationship with charge carrier mobility, spin relaxation time and spin injection efficiency. Thus, centered on the basic scientific problems of spin transport, this project will focus on achieving long-distance spin transport by three steps. Firstly, high-mobility molecular single crystal will be selected as the material to reveal the relationship between spin transport and material properties. Subsequently, novel molecular single crystal with long spin relaxation time will be developed by relaxation causations control via chemical approaches. Finally, together with the improved spin injection process, long-distance spin transport at room temperature will be achieved. After this, we will perform further study on the pure spin current transport in molecular single crystals, which aims to construct novel molecular spin device and sharpen our understanding on molecular spintronics.

自旋输运是自旋电子学研究的核心内容之一。分子半导体材料由于具有弱的自旋-轨道耦合作用，电子自旋弛豫时间长，被认为是极具潜力的自旋输运材料。然而，目前报道的分子材料中的自旋输运距离大部分仅在纳米量级，且通常只能在低温下实现，完全不能显示分子材料的输运优势，严重束缚了分子自旋电子学这一学科的发展。自旋输运距离与分子材料的电荷迁移率、自旋弛豫时间以及自旋注入效率密切相关。本项目将针对自旋输运中的科学问题，选择具有高电荷迁移率的分子半导体单晶材料，开展分子半导体单晶结构和性质与自旋输运性能关系的研究。进而通过分子工程削弱自旋弛豫致因，提高自旋弛豫时间，获得具有高效自旋输运性能的分子半导体单晶材料。再结合自旋注入过程的优化，实现室温下分子半导体单晶材料中高效、长距离的自旋输运。以此为基础，开展分子半导体单晶材料中纯自旋流输运的研究，探索新型自旋电子器件的构建，推动自旋电子学研究的发展。

自旋输运是分子自旋电子学的核心研究内容之一。本项目围绕当前分子自旋电子学中自旋输运的关键科学问题，首先研究了分子半导体材料化学、物理结构对自旋输运的影响，并首次提出了相关机制，开发了具有高效自旋输运潜力的分子半导体材料。其中，本项目开发的熔融型分子半导体材料表现了高达17%的室温自旋输运效率，远超此前5%左右的世界纪录；氘代tips-并五苯单晶的自旋弛豫时间高达3.4 ms，自旋扩散长度高达74 μm。其次，本项目开发了无损转移贴合顶电极的器件制备方法，自旋注入效率显著提升了300%，为构建单晶自旋电子器件奠定了基础。再次，本项目基于自旋界面研究构建了多阶磁场响应的自旋存储器件。首次构建了分子自旋热电子器件，在分子半导体中实现了较为高效的热电子自旋注入，极大地提高了室温自旋输运距离（高达500 nm以上，远超此前100 nm的世界纪录）。最后，本项目基于以上研究，开发了全新的光-电自旋操控方法，率先实现了分子半导体中电子的自旋操控，构建了首个分子自旋晶体管，将极大推动分子自旋电子学的发展。围绕以上方向申请人作为通讯作者在Angewandte Chemie International Edition，Advanced Energy Materials，Nano Today，Journal of Materials Chemistry A等国际著名学术期刊上发表论文13篇，申请中国专利3项。本项目将基于分子半导体单晶材料，继续开发基于单晶材料的器件及其功能性，推动分子自旋电子学的发展。