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

　　分子半導體材料由于具有豐富的光電性質(zhì)，被廣泛應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，其自旋弛豫時間可以達到毫秒級，使之成為極具吸引力的自旋輸運材料。將分子半導體材料豐富的光電性質(zhì)與優(yōu)異的自旋輸運性質(zhì)有效結(jié)合，是探索構建全新功能性分子自旋電子器件，并實現(xiàn)分子自旋電子學研究領域突破的新途徑。

　　分子自旋光伏器件(MSP)是基于自旋閥器件結(jié)構和富勒烯(C60)分子材料構建的一種新型器件。該器件可在外部光、磁復合場作用下實現(xiàn)電子自旋和電荷輸出信號的相互耦合，進而實現(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、磁控電池開關等。

　　MSP器件在自旋閥工作模式下，一個鐵磁電極(Co)用于向C60半導體層中注入自旋極化載流子，另外一個鐵磁電極(NiFe)用于自旋檢出，自旋極化的載流子通過C60薄膜實現(xiàn)輸運。在恒定偏壓下，該器件輸出電流隨兩個鐵磁電極的相對磁化方向變化(即自旋閥效應)，受該效應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。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)動擴散到兩個鐵磁電極產(chǎn)生輸出電流，這些載流子因為通過磁性電極輸出后在極短的時間內(nèi)完全自旋弛豫，因此并不會產(chǎn)生自旋閥效應。該器件在開路時，外加電壓將驅(qū)動電子從Co電極輸運到NiFe電極實現(xiàn)電荷復合，因為C60優(yōu)異的自旋輸運性質(zhì)，此時復合電流將會受自旋閥效應的影響。如上所述，MSP器件在光、磁復合場作用下，輸出電流與復合電流相異的自旋相關性是實現(xiàn)全新自旋器件功能性的關鍵。

　　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用價值，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信號的運行功率降低至1%以下。同時，該器件還可以應用于分子半導體材料自旋輸運和自旋光電子學等研究領域的探索中。

　　孫向南為文章第一作者，Hueso為通訊作者，國家納米科學中心為第一完成單位。該工作得到了中科院“率先行動”百人計劃、國家自然科學基金委面上項目和科技部重點研發(fā)計劃的資助。(來源：中國科學院國家納米科學中心)

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分子自旋光伏器件示意圖