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近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究人員在聚合物半導(dǎo)體的自旋流探測及其薄膜結(jié)構(gòu)-自旋傳輸性能關(guān)系研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果在美國化學(xué)會(ACS)旗下期刊《ACS應(yīng)用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上在線發(fā)表。

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

強(qiáng)磁場中心張發(fā)培課題組與研究員童偉合作，采用鐵磁共振(FMR)自旋泵浦技術(shù)結(jié)合逆自旋Hall效應(yīng)（ISHE）測量，研究了新型聚合物半導(dǎo)體PBDTTT-C-T的自旋極化傳輸特性。他們通過設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(shí)間。

令人吃驚的是，研究人員首次利用半導(dǎo)體/絕緣體聚合物共混薄膜作為自旋極化傳輸介質(zhì)，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(qiáng)的ISHE電壓信號，并發(fā)現(xiàn)共混薄膜的自旋擴(kuò)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(jié)構(gòu)測量發(fā)現(xiàn)，PBDTTT骨架鏈bundle在絕緣的PS基體中形成相互連通的納米細(xì)絲網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成貫穿薄膜的快速電荷傳導(dǎo)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(fā)現(xiàn)PBDTTT的自旋擴(kuò)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(jī)制一致。

這些結(jié)果清楚地表明，有機(jī)半導(dǎo)體的薄膜結(jié)構(gòu)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(guān)鍵性的影響。該工作對理解有機(jī)半導(dǎo)體自旋極化傳輸微觀過程和機(jī)制有重要意義，并為尋找低成本、高性能有機(jī)自旋電子材料提供新途徑。

該項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。