Advanced Electronic Materials: 基于吡咯并吡咯二酮聚合物的自旋阀器件研究

相比于以硅等无机半导体材料为基础的微电子产业,基于全新概念的自旋电子学(spintronics)在高密度信息存储等领域显示了非常大的发展与应用潜力。更为重要的是,基于自旋电子学的器件也是目前微电子器件进入纳米尺度的重要方案之一。由于有机/聚合物材料的特殊性,其易合成,能够实现低成本、大面积制备,更为关键的是其自旋-轨道耦合作用及超精细相互作用较弱,因此有机自旋电子学已经逐渐成为了国际上的研究热点。相比于小分子,聚合物分子具有强的剪切粘度,便于通过溶液旋涂、定向生长等方法制备出高质量连续的聚合物薄膜,且该类材料器件制备工艺简单,可以大大降低生产成本,并且易于大面积制备柔韧性有机电子产品,更满足实际应用要求,在分子自旋电子学中有很好的发展前景。

中国科学院化学研究所于贵研究员与中国科学院物理研究所金奎娟研究员密切合作,成功制备了基于吡咯并吡咯二酮(DPP)类聚合物的有机自旋阀器件,并首次实现了该类分子材料的自旋输运,低温下可以得到30%的磁阻比(MR)。该研究工作利用DPP类聚合物制备三明治结构的自旋阀器件,研究了该类材料在不同温度及磁场下的自旋输运特性。此外,作者使用两种铁磁电极(钴和镍铁合金)及不同分子结构的聚合物材料(PTDCNVT-420和PTDCNVT-320)来进一步研究该类器件自旋输运的界面及分子结构对自旋输运可能的影响。研究发现,该分子自旋阀器件在200K下依然具有5%的MR,说明该自旋器件有着良好的自旋输运界面。作者使用透射电子显微镜(TEM)及原子力显微镜(AFM)对器件的界面结表面进行了表征,TEM测试结果表明上电极与分子材料之间有着良好的锐利界面,该结果表明上电极对分子材料没有明显的渗透,利于自旋载流子的输运。此外,AFM测试结果表明该类分子材料有着较小的粗糙度(0.56nm左右),表面相对平整,利于自旋载流子传输。此外,作者研究发现基于镍铁电极的器件磁阻信及其噪比相对更高,并且基于钴电极的自旋阀器件磁阻与温度的依赖性更加明显,一方面这可能是因为镍铁合金的居里温度相对较低,从而会影响器件的异质自旋界面及表面的自旋极化。此外,相对于钴,镍铁合金更容易蒸镀,这一定程度上会减弱热辐射对分子材料的影响。另一方面,镍铁合金的自旋极化率(~45%)比钴(~34%)要高,这也是导致其磁阻相对较高的另一个原因。对于具有不同分子结构的材料PTDCNVT-420和PTDCNVT-320,前者主链烷基链更长,且其MR相对更高,这可能与分子材料本身的超精细相互作用和自旋-轨道耦合作用有关,从而导致不同的自旋输运性能,基于该现象的深层机制还在进一步研究中。

研究人员相信,鉴于聚合物分子材料的低成本、柔性、可溶液加工以及较长的自旋相干时间等优势,此项研究会促使化学合成与材料物性及器件研究工作者更加深入的发展和研究基于DPP或其他骨架基团的聚合物分子材料的合成及新型自旋器件的开发,为有机自旋电子学的应用提供了新的思路。相关结果发表在Advanced Electronic Materials(DOI:10.1002/aelm.201900318)上。