分子半導(dǎo)體通常由原子序數(shù)較低的輕元素組成,因此具有較弱的自旋-軌道耦合作用,且室溫下自旋壽命的理論預(yù)測值超過毫秒量級,被學(xué)界認(rèn)為是實現(xiàn)室溫高效自旋輸運和未來自旋運算應(yīng)用的理想材料體系。盡管理論上可通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計提高材料自旋壽命,但此前研究報道的分子半導(dǎo)體材料自旋壽命大多≤0.1μs,低于理論預(yù)測值,這一現(xiàn)象與對該類型材料的普遍認(rèn)知相悖。

近日,中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員孫向南團隊通過理論研究發(fā)現(xiàn),分子半導(dǎo)體材料的分子內(nèi)偶極取向能夠影響超精細相互作用,而超精細相互作用強度是決定材料自旋壽命的關(guān)鍵因素。基于這一發(fā)現(xiàn),該團隊聯(lián)合上海有機化學(xué)研究所研究員高希珂團隊,基于具有相同元素組成與共軛結(jié)構(gòu)平面性但分子內(nèi)偶極排列不同的2,6-薁基共軛聚合物,結(jié)合電子順磁共振技術(shù)和自旋閥器件,實驗證明了通過設(shè)計分子內(nèi)偶極取向可以顯著抑制超精細相互作用,從而獲得了高達106μs的室溫自旋壽命,創(chuàng)造了室溫紀(jì)錄值。

該研究提出了新的分子內(nèi)偶極取向設(shè)計策略,為設(shè)計室溫高效自旋輸運材料提供了指導(dǎo)思路,有望推動室溫自旋運算器件的開發(fā)與應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Enhancing Room-Temperature Spin Lifetimes in Molecular Semiconductors by Designing Intramolecular Dipole Orientations為題,發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院以及北京市科學(xué)技術(shù)委員會等的支持。

論文鏈接

分子內(nèi)偶極取向?qū)Ψ肿影雽?dǎo)體自旋壽命的影響