近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究人員在聚合物半導體的自旋流探測及其薄膜結構-自旋傳輸性能關系研究中取得新進展，相關研究成果在美國化學會(ACS)旗下期刊《ACS應用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上在線發表。
有機半導體材料具有微弱自旋-軌道耦合和超精細相互作用，可作為有前途的自旋極化傳輸介質，因此尋找新型有機自旋電子材料、探索其自旋極化傳輸過程和機制具有重要意義。此前這方面研究大多通過制備有機自旋閥器件來測量攜帶著自旋極化的電子傳輸，但存在鐵磁/半導體界面的電導失配等問題，嚴重制約了對有機半導體自旋傳輸特性定量深入研究。近年來，自旋泵浦激發和探測純自旋流（不伴隨凈電荷電流）由于能克服界面電導失配問題，逐漸成為探索半導體材料本征自旋傳輸性質的有力手段。
強磁場中心張發培課題組與研究員童偉合作，采用鐵磁共振(FMR)自旋泵浦技術結合逆自旋Hall效應（ISHE）測量，研究了新型聚合物半導體PBDTTT-C-T的自旋極化傳輸特性。他們通過設計一種適合低噪聲電壓測量的樣品架，在NiFe/聚合物/Pt三明治結構中探測到清晰的ISHE信號，通過測量ISHE電壓隨PBDTTT層厚度的變化，觀察到PBDTTT層中純自旋流傳輸和長的自旋馳豫時間。
令人吃驚的是，研究人員首次利用半導體/絕緣體聚合物共混薄膜作為自旋極化傳輸介質，在低含量PBDTTT與絕緣的聚苯乙烯(PS)形成的共混薄膜中，仍能測量到很強的ISHE電壓信號，并發現共混薄膜的自旋擴散長度和載流子遷移率相對于“純”PBDTTT薄膜有顯著的提高。他們通過綜合性薄膜微結構測量發現，PBDTTT骨架鏈bundle在絕緣的PS基體中形成相互連通的納米細絲網絡，構成貫穿薄膜的快速電荷傳導通路，可以解釋共混薄膜更高的電荷和自旋傳輸能力。此外，還發現PBDTTT的自旋擴散長度具有弱的溫度依存性，與基于自旋-軌道耦合的自旋弛豫機制一致。
這些結果清楚地表明，有機半導體的薄膜結構特性，如分子取向和堆積方式以及薄膜形貌等，對其自旋傳輸性能有關鍵性的影響。該工作對理解有機半導體自旋極化傳輸微觀過程和機制有重要意義，并為尋找低成本、高性能有機自旋電子材料提供新途徑。
該項研究獲得國家自然科學基金項目以及國家重點研發項目的支持。
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圖(a) Py/PBDTTT-C-T/Pt三明治結構器件上ISHE效應的產生，(b) 該器件所測的總電壓譜（隨磁場變化）及其退卷積。其中VLorentz對應于ISHE電壓，(c) ISHE電壓分別隨PBDTTT-C-T介質層和PBDTTT/PS共混膜介質層厚度的變化。由此推算出聚合物薄膜不同的自旋擴散長度ls。
