我國學者在有機半導體自旋傳輸研究中取得進展

　　近期，強磁場中心研究人員在聚合物半導體的自旋流探測及其薄膜結構-自旋傳輸性能關系研究上取得新進展，相關研究成果在美國化學會(ACS)旗下期刊《ACS應用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上在線發表。

　　有機半導體材料具有微弱自旋-軌道耦合和超精細相互作用，可作為有前途的自旋極化傳輸介質，因此尋找新型有機自旋電子材料、探索其自旋極化傳輸過程和機制具有重要意義。此前這方面研究大多通過制備有機自旋閥器件，來測量攜帶著自旋極化的電子傳輸，但存在鐵磁/半導體界面的電導失配等問題，嚴重制約了對有機半導體自旋傳輸特性定量深入研究。近年來，自旋泵浦激發和探測純自旋流（不伴隨凈電荷電流）由于能克服界面電導失配問題，逐漸成為探索半導體材料本征自旋傳輸性質的有力手段。

圖(a) Py/PBDTTT-C-T/Pt三明治結構器件上ISHE效應的產生，(b) 該器件所測的總電壓譜（隨磁場變化）及其退卷積。其中VLorentz對應于ISHE電壓，(c) ISHE電壓分別隨PBDTTT-C-T介質層和PBDTTT/PS共混膜介質層厚度的變化。由此推算出聚合物薄膜不同的自旋擴散長度ls。

　　強磁場中心張發培研究員課題組與童偉研究員合作，采用鐵磁共振(FMR)自旋泵浦技術結合逆自旋Hall效應（ISHE）測量，研究了新型聚合物半導體PBDTTT-C-T的自旋極化傳輸特性。他們通過設計一種適合低噪聲電壓測量的樣品架，在NiFe/聚合物/Pt三明治結構中探測到清晰的ISHE信號，通過測量ISHE電壓隨PBDTTT層厚度的變化，觀察到PBDTTT層中純自旋流傳輸和長的自旋馳豫時間。

　　令人吃驚的是，研究人員首次利用半導體/絕緣體聚合物共混薄膜作為自旋極化傳輸介質，在低含量PBDTTT與絕緣的聚苯乙烯(PS)形成的共混薄膜中，仍能測量到很強的ISHE電壓信號，并發現共混薄膜的自旋擴散長度和載流子遷移率相對于“純”PBDTTT薄膜有顯著的提高。他們通過綜合性薄膜微結構測量發現，PBDTTT骨架鏈bundle在絕緣的PS基體中形成相互連通的納米細絲網絡，構成貫穿薄膜的快速電荷傳導通路，可以解釋共混薄膜更高的電荷和自旋傳輸能力。此外，還發現PBDTTT的自旋擴散長度具有弱的溫度依存性，與基于自旋-軌道耦合的自旋弛豫機制一致。

　　這些結果清楚地表明，有機半導體的薄膜結構特性，如分子取向和堆積方式以及薄膜形貌等，對其自旋傳輸性能有關鍵性的影響。該工作對理解有機半導體自旋極化傳輸微觀過程和機制有重要意義，并為尋找低成本、高性能有機自旋電子材料提供新途徑。

　　該項研究獲得國家自然科學基金項目以及國家重點研發項目的支持。