有機(jī)半導(dǎo)體材料由輕質(zhì)元素組成。該材料表現(xiàn)出較弱的自旋軌道耦合作用，能夠保持較長(zhǎng)的自旋壽命，并在室溫下展現(xiàn)出自旋傳輸潛力。此前，科學(xué)家針對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體在自旋閥中作為非磁性中間層的應(yīng)用開展了研究，但自旋傳輸效率依然較低。目前，有機(jī)半導(dǎo)體的自旋弛豫通常被認(rèn)為是氫原子的超精細(xì)耦合所致，而在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)光電材料中僅考慮氫原子的作用是不全面的。因此，分子結(jié)構(gòu)和自旋弛豫對(duì)自旋傳輸?shù)淖饔糜绕湓谑覝叵碌挠绊戄^難明確。如何突破這些瓶頸以及在室溫下提升自旋傳輸效率，成為亟待解決的問題。

中國(guó)科學(xué)院院士、化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉云圻與研究員郭云龍團(tuán)隊(duì)，在高遷移率半導(dǎo)體領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型分子材料體系，為探討自旋傳輸和材料微觀弛豫機(jī)制積累了研究經(jīng)驗(yàn)。

近期，該團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心、北京工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)的科研人員合作，揭示了氮原子在室溫下分子自旋弛豫過程中的作用，明晰了電子自旋與分子結(jié)構(gòu)組成之間的耦合關(guān)系。該研究在環(huán)化靛藍(lán)單元邊緣進(jìn)行鹵素取代，在不改變自旋壽命的情況下將載流子遷移率提高了10倍，在室溫下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)247nm自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和8.7%的磁阻比。進(jìn)一步，該研究在室溫下觀測(cè)到N原子的超精細(xì)耦合對(duì)電子自旋的相干信號(hào)，證明了N原子在室溫下表現(xiàn)出比H原子更強(qiáng)的自旋耦合。同時(shí)，這一規(guī)律在多種光電功能分子中得到驗(yàn)證。

該研究提出的邊緣取代策略，為有機(jī)自旋輸運(yùn)材料的設(shè)計(jì)工作提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature?Communications）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和中國(guó)科學(xué)院的支持。

信息來源： 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所