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(cè)值超過(guò)毫秒量級(jí),被學(xué)界認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)室溫高效自旋輸運(yùn)和未來(lái)自旋運(yùn)算應(yīng)用的理想材料體系。盡管理論上可通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高材料自旋壽命,但此前研究報(bào)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(cè)值,這一現(xiàn)象與對(duì)該類型材料的普遍認(rèn)知相悖。

近日,中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員孫向南團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(xì)相互作用,而超精細(xì)相互作用強(qiáng)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員高希珂團(tuán)隊(duì),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(shí)驗(yàn)證明了通過(guò)設(shè)計(jì)分子內(nèi)偶極取向可以顯著抑制超精細(xì)相互作用,從而獲得了高達(dá)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(jì)策略,為設(shè)計(jì)室溫高效自旋輸運(yùn)材料提供了指導(dǎo)思路,有望推動(dòng)室溫自旋運(yùn)算器件的開(kāi)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(jìn)材料》(Advanced Materials)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、中國(guó)科學(xué)院以及北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

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分子內(nèi)偶極取向?qū)Ψ肿影雽?dǎo)體自旋壽命的影響