有機半導體材料室溫自旋輸運和微觀弛豫研究獲進展

有機半導體材料由輕質元素組成。該材料表現出較弱的自旋軌道耦合作用，能夠保持較長的自旋壽命，并在室溫下展現出自旋傳輸潛力。此前，科學家針對有機半導體在自旋閥中作為非磁性中間層的應用開展了研究，但自旋傳輸效率依然較低。目前，有機半導體的自旋弛豫通常被認為是氫原子的超精細耦合所致，而在結構復雜的有機光電材料中僅考慮氫原子的作用是不全面的。因此，分子結構和自旋弛豫對自旋傳輸的作用尤其在室溫下的影響較難明確。如何突破這些瓶頸以及在室溫下提升自旋傳輸效率，成為亟待解決的問題。

中國科學院院士、化學研究所有機固體院重點實驗室研究員劉云圻與研究員郭云龍團隊，在高遷移率半導體領域取得了一系列進展。該團隊開發了新型分子材料體系，為探討自旋傳輸和材料微觀弛豫機制積累了研究經驗。

近期，該團隊與中國科學院國家納米科學中心、北京工業大學和清華大學的科研人員合作，揭示了氮原子在室溫下分子自旋弛豫過程中的作用，明晰了電子自旋與分子結構組成之間的耦合關系。該研究在環化靛藍單元邊緣進行鹵素取代，在不改變自旋壽命的情況下將載流子遷移率提高了10倍，在室溫下實現了長達247nm自旋擴散長度和8.7%的磁阻比。進一步，該研究在室溫下觀測到N原子的超精細耦合對電子自旋的相干信號，證明了N原子在室溫下表現出比H原子更強的自旋耦合。同時，這一規律在多種光電功能分子中得到驗證。

該研究提出的邊緣取代策略，為有機自旋輸運材料的設計工作提供了新思路。

相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature?Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院的支持。