有机半导体的新自旋

有机半导体的新自旋

研究人员发现,某些有机半导体材料能够比传导电荷更快地传输自旋,这一现象最终可能为更快、更节能的计算机提供动力。

来自英国、德国和捷克共和国的国际团队发现,这些材料可用于“自旋电子学”应用,这可能使廉价的有机半导体在未来的计算应用中与硅竞争。

“自旋”是电子固有角动量的术语,称为向上或向下。在传统的计算机逻辑中,使用电子的上下状态而不是0和1,可以改变计算机处理信息的方式。

建立在自旋电子学基础上的装置不需要移动电荷包,而是利用一系列电子的相对自旋(称为纯自旋电流)来传输信息。通过消除电荷的运动,任何这样的设备都将需要更少的功率,也不容易过热——这就消除了进一步提高计算机效率的一些最重要的障碍。因此,自旋电子学可以给我们提供更快、节能的计算机,能够执行比目前更复杂的操作。

由于有机半导体广泛应用于诸如OLED等应用领域,比硅更便宜、更容易生产,人们认为基于有机半导体的自旋电子器件可以推动未来的计算机革命。但到目前为止,还没有这样的结果。

剑桥大学卡文迪什实验室(University of Cambridge’s Cavendish Laboratory)的近期博士生、论文的共同第一作者王舒仁(Shu Jen Wang)博士说:“要通过自旋真正传递信息,电子的自旋需要经过合理的距离,并在其上编码的信息被随机化之前存活足够长的时间。”

“到目前为止,有机半导体还不是自旋电子学的现实候选者,因为在不丢失原始信息的情况下,不可能在聚合物电路周围移动足够远的自旋,”同样来自卡文迪什实验室的合作第一作者Deepak Venkateshvaran博士说。因此,有机自旋电子学领域在过去十年里一直相当安静。

有机半导体的内部结构往往是高度无序的,就像一盘意大利面。因此,电荷包的移动速度不如硅或砷化镓等半导体的快,这两种半导体都具有高度有序的晶体结构。大多数研究有机半导体中自旋的实验都发现,电子自旋和它们的电荷一起移动,而且由于电荷移动得更慢,自旋信息并不远:通常只有几十纳米。

现在,剑桥领导的研究小组说,他们已经找到了能够使电子自旋运动到足以运行有机自旋电子设备的条件。

研究人员人为地增加了材料中电子的数量,并使用一种称为自旋抽运的技术向材料中注入了纯自旋电流。研究人员发现,高导电性有机半导体受一种新的自旋输运机制的控制,这种机制将它们转变为优良的自旋导体。

这种机制基本上将自旋信息与电荷分离,这样自旋就可以在最远一微米的距离内快速传输:对于基于实验室的自旋电子学设备来说足够远。

Selwyn公司的研究员Venkateshvaran说:“具有长自旋传输长度和长自旋寿命的有机半导体有望在未来的自旋基础、低能量计算、控制和通信设备中应用,该领域目前主要由无机半导体主导。”倾斜。

作为下一步,研究人员打算研究化学成分在有机半导体在原型器件中高效传输自旋信息的能力中所起的作用。

这项研究由卡文迪什实验室的汉宁·瑟林豪斯教授协调,并由剑桥大学、伦敦帝国理工学院、美因茨大学、捷克科学院和日立剑桥实验室联合举办的欧洲研究理事会(ERC)协同基金资助。

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