Печатный полимер позволяет изучить хиральность и спины при комнатной температуре

Печатаемый органический полимер, который при печати собирается в хиральные структуры, позволил исследователям надежно измерить количество заряда, образующегося при преобразовании спина в заряд в спинтронном материале при комнатной температуре.

Настраиваемые свойства полимера и его универсальность делают его востребованным не только для менее дорогих, экологически чистых, печатаемых электронных приложений, но и для использования в понимании хиральности и спиновых взаимодействий в целом.

Спинтронные устройства — это электронные приборы, которые используют спин электрона, а не его заряд, для создания энергоэффективного тока, используемого для хранения данных, связи и вычислений. Хиральные материалы относятся к материалам, которые не могут быть наложены на свое зеркальное отражение — подумайте, например, о левой и правой руках. Если вы положите левую руку на правую, положение пальцев изменится на противоположное. Это и есть хиральность.

Хиральность в спинтронных материалах позволяет разработчикам управлять направлением спина внутри материала, что известно как эффект «спин-селективности, индуцированной хиральностью (CISS)». Эффект CISS возникает, когда ток заряда течет вдоль оси хиральности в хиральном материале, создавая спин — или преобразование заряда в спин — без использования ферромагнитных элементов. Преобразование заряда в спин необходимо для хранения памяти в вычислительных устройствах.

«Мы знаем, что CISS-преобразование заряда в спин эффективно работает в хиральных полупроводниках, но мы хотим знать, почему», — говорит Дали Сун, доцент физики, сотрудник Лаборатории органической и углеродной электроники (ORaCEL) в Университете штата Северная Каролина и соавтор работы. „И простой способ понять загадочную механику такого процесса — это обратить его вспять, то есть посмотреть на преобразование спина в заряд через обратный эффект CISS“.

Сунь работал с Йингом Диао, доцентом кафедры химической и биомолекулярной инженерии Иллинойсского университета Урбана-Шампейн и соавтором работы, который разработал процесс печати для сборки сопряженных органических полимеров в хиральные спиральные структуры.

«Органические материалы могут переносить спин на большие расстояния, но они плохо преобразуют спин в заряд, что необходимо для устройств спинтроники», — говорит Диао. „Сделав структуру этого материала хиральной, мы можем использовать ее для преобразования спина в заряд“.

«Эффект CISS возникает, если поместить заряд в хиральное спинтронное устройство, но выяснить, насколько эффективно заряд преобразуется в спин внутри устройства, очень сложно, поскольку трудно количественно измерить полученный спин», — говорит Сун.

Эффект спиновой селективности, индуцированный обратной хиральностью, или ICISS, когда вы помещаете спин в устройство и измеряете результирующий ток, не был изучен в органических полимерах. Но измерить ток гораздо проще, чем спин. Поэтому мы так и поступили.

Сун использовал микроволновое возбуждение в качестве метода спиновой накачки, чтобы ввести чистый спин в органический полимер и измерить результирующий ток.

Исследователи обнаружили, что время жизни спина в хиральном органическом полимере достигает наносекунды при комнатной температуре, в отличие от пикосекундного времени жизни в традиционных спинтронных материалах.

«Прелесть этого материала, помимо всего прочего, заключается в его настраиваемости», — говорит Сун. „Мы можем менять хиральность, проводимость и смотреть, как это влияет на спин или эффективность. Теперь у нас есть возможность понять, почему работают спинтроники на основе CISS, что может помочь нам разработать более совершенные и эффективные устройства“.

Электроника на основе полимеров гораздо менее энергоемка в изготовлении, чем современная электроника, и ее легко масштабировать для производства, — говорит Дьяо.

Поскольку полимерные полупроводники пригодны для печати — их можно печатать так же, как газеты, — они идеально подходят для портативных, гибких и растягивающихся приложений, от солнечных батарей до новых форм компьютеров.

Работа опубликована в журнале Nature Materials.

15.03.2024