近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員孫向南和西班牙巴斯克納米科學(xué)中心教授Hueso等合作，在分子自旋電子學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展，提出并報(bào)道了全新的分子自旋光伏器件。相關(guān)研究成果于8月18日在《科學(xué)》(Science)雜志在線發(fā)表，并已申請國家發(fā)明專利(申請?zhí)?201611011759.5)。

　　分子半導(dǎo)體材料由于具有豐富的光電性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于分子電子器件的研究中，如光伏電池、發(fā)光二極管和場效應(yīng)晶體管等。此外，由于分子材料較弱的自旋軌道耦合作用，其自旋弛豫時(shí)間可以達(dá)到毫秒級，使之成為極具吸引力的自旋輸運(yùn)材料。將分子半導(dǎo)體材料豐富的光電性質(zhì)與優(yōu)異的自旋輸運(yùn)性質(zhì)有效結(jié)合，是探索構(gòu)建全新功能性分子自旋電子器件，并實(shí)現(xiàn)分子自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域突破的新途徑。

　　分子自旋光伏器件(MSP)是基于自旋閥器件結(jié)構(gòu)和富勒烯(C60)分子材料構(gòu)建的一種新型器件。該器件可在外部光、磁復(fù)合場作用下實(shí)現(xiàn)電子自旋和電荷輸出信號的相互耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全新的器件功能，包括：磁場調(diào)控太陽能電池開路電壓，室溫下利用特定操控模式實(shí)現(xiàn)可控完全自旋極化電流輸出、磁控交流電信號輸出、磁控電池開關(guān)等。

　　MSP器件在自旋閥工作模式下，一個(gè)鐵磁電極(Co)用于向C60半導(dǎo)體層中注入自旋極化載流子，另外一個(gè)鐵磁電極(NiFe)用于自旋檢出，自旋極化的載流子通過C60薄膜實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)。在恒定偏壓下，該器件輸出電流隨兩個(gè)鐵磁電極的相對磁化方向變化(即自旋閥效應(yīng))，受該效應(yīng)影響的輸出電流百分比稱為磁電流(MC)。另外，MSP器件在7.5Mw/cm2白光照射下可觀察到微弱的光伏效應(yīng)。在短路的條件下，C60層中的光生載流子受內(nèi)建電場的驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散到兩個(gè)鐵磁電極產(chǎn)生輸出電流，這些載流子因?yàn)橥ㄟ^磁性電極輸出后在極短的時(shí)間內(nèi)完全自旋弛豫，因此并不會產(chǎn)生自旋閥效應(yīng)。該器件在開路時(shí)，外加電壓將驅(qū)動(dòng)電子從Co電極輸運(yùn)到NiFe電極實(shí)現(xiàn)電荷復(fù)合，因?yàn)镃60優(yōu)異的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，此時(shí)復(fù)合電流將會受自旋閥效應(yīng)的影響。如上所述，MSP器件在光、磁復(fù)合場作用下，輸出電流與復(fù)合電流相異的自旋相關(guān)性是實(shí)現(xiàn)全新自旋器件功能性的關(guān)鍵。

　　該研究提出的分子自旋光伏器件作為一種新型器件，在高靈敏度光、磁復(fù)合場傳感器、單器件磁控電流轉(zhuǎn)換器等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，并且相較于傳統(tǒng)的分子自旋閥，該器件獲得相同磁電流響應(yīng)信號的運(yùn)行功率降低至1%以下。同時(shí)，該器件還可以應(yīng)用于分子半導(dǎo)體材料自旋輸運(yùn)和自旋光電子學(xué)等研究領(lǐng)域的探索中。

　　孫向南為文章第一作者，Hueso為通訊作者，國家納米科學(xué)中心為第一完成單位。該工作得到了中科院“率先行動(dòng)”百人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

分子自旋光伏器件示意圖