中国光学期刊网首页>专题首页>中国光学十大进展

国家纳米科学中心孙向南课题组:分子自旋光伏器件

2017-11-16

国家纳米科学中心的孙向南研究员团队与西班牙巴斯克纳米中心Luis E. Hueso教授团队合作制备了可利用光、电、磁多重调控器件输出信号的分子自旋光伏器件,在单个自旋器件中实现了基于电子自旋调控的多种功能,在分子自旋电子学的研究中取得了重要进展。

电子具有电荷和自旋两个基本属性,基于电子电荷属性发展而来的微电子学已经在集成电路等领域取得了巨大成功,为人们带来了诸多便利。而对于电子自旋应用价值的探究,直到1988年在铁/铬多层膜中发现巨磁电阻(GMR)效应才突显成就,由此开拓出的自旋电子学学科,在发展近30年的时间内,为当代信息社会的发展带来了巨大变革。基于GMR效应的传感器和硬盘读出头成为了典型的实用产品。

基于分子半导体材料的分子自旋电子学研究作为自旋电子学的一个分支,被认为在实现高效自旋输运和自旋信息操控方面蕴藏着巨大潜力。这是因为,分子半导体材料主要由C、H、O、N等原子序数较低的轻元素组成,因此自旋轨道耦合作用很弱,自旋弛豫时间很长(可达毫秒级)。另外,分子半导体材料具有丰富的光电性质及低成本、高柔性等应用优势,目前已在分子电子器件的研究中广泛应用,如场效应晶体管、发光二极管和太阳能电池等。将分子半导体材料丰富的光电性质与优异的自旋输运特性相结合是构建全新多功能分子自旋电子器件的新途径,也是自旋电子学研究中的新兴方向,符合半导体工业中小型化、集成化的发展需求,同时也为丰富分子自旋电子学的理论和应用研究奠定了基础。

分子自旋电子学在发展至今十余年的时间内取得的了重要进展。在自旋器件基础方面,人们已经能够制备出可靠的自旋阀或自旋器件,且分子材料中的自旋输运距离也不断突破,目前室温下最长的自旋输运距离是180 nm。在多功能分子自旋器件方面,以高效的自旋输运为基础,基于分子自旋阀结构人们已经展示了自旋存储器件、自旋有机发光二极管器件、自旋光响应器件和自旋阀效应可翻转的自旋器件等,这些自旋器件在磁场调控自旋输出(自旋阀功能)的基础上赋予了自旋器件更加丰富的可调性及光、电功能。

近期,孙向南课题组与合作者在开发新型多功能分子自旋器件方面取得了重要进展。他们基于分子自旋阀结构和富勒烯C60分子制备了分子自旋光伏器件(Molecular Spin Photovoltaic,MSP),即两个矫顽力不同的铁磁电极间夹一C60分子中间层的三明治结构(如图1所示)。该器件可以实现以下新颖功能:磁场调控太阳能电池的开路电压,室温下利用特定操控模式实现可控完全自旋极化电流输出、磁控交流电信号输出和磁控电池开关等。

图1 分子自旋光伏 (MSP)器件示意图

研究人员通过改变外加磁场使得两铁磁电极的相对磁化方向发生改变,可以调整为相互平行或反平行,此时自旋器件的电阻会因自旋相干散射强弱的变化而发生变化,从而产生自旋阀效应(可应用于信息存储)。除此之外,由于C60分子的光伏效应,该MSP器件还能在微弱光照下产生光伏效应,虽然此光伏效率远不足以应用于光伏产业,但是产生的内建电场却足以操控自旋。在该器件中,若保持外加偏压不变,磁响应电流的绝对值(ΔI)不发生明显改变,通过改变辐照光强使得两铁磁电极平行时的输出电流与反平行时的输出电流大小相等、方向相反,则可获得完美的单器件磁控电流转换器功能。若保持辐照光强不变,通过改变外加偏压调控输出电流时,磁响应电流的绝对值(ΔI)将发生明显改变。将光强和偏压两种调控方式结合起来,可实现通过外磁场控制自旋极化电流的输出,且器件输出电流表现出完全的自旋相关性。这些特殊的器件性质可以通过现有的理论模型进行更加精确的拟合,以实现对分子材料中自旋输运机制的深入研究和理解。

图2 光强对MSP器件输出信号的调控

图3 外加偏压对MSP器件输出信号的调控及光-电同步对MSP器件输出信号调控

该自旋分子光伏器件实现了电子自旋与电荷的相互耦合,从而产生了全新的器件功能,在高灵敏度光、磁复合场传感器,单器件磁控电流转换器等方面具有潜在的应用价值。并且,相比于传统的分子自旋阀,该器件获得相同磁电流响应信号的运行功率低至1 %以下。

该研究成果发表在Science [357 (6352), 677-680, (2017)]上。该工作得到了中国科学院“率先行动”人才,国家自然科学基金委面上项目(No. 21673059)和科技部重点研发计划(No. 2016YFA0200700,2017YFA0206600)的资助,并已申请中国发明专利(申请号: 201611011759.5)。

论文链接:http://science.sciencemag.org/content/357/6352/677