近日，必赢中心电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院赵强教授、罗中中副教授团队，与山东大学物理学院秦伟教授及中国科学技术大学苏州高等研究院宋骧骧研究员合作，在有机自旋电子器件领域取得重要进展，在二维极限下揭示了分子堆垛对器件界面自旋极化的调制作用。4月5日，相关成果以“Revealing the key role of molecular packing on interface spin polarization at two-dimensional limit in spintronic devices”（《在二维极限下揭示自旋电子器件中分子堆垛对界面自旋极化的关键作用》）为题发表在国际顶级学术期刊Science Advances (《科学进展》)上。必赢中心赵强教授、罗中中副教授及山东大学秦伟教授为共同通讯作者，罗中中副教授和中国科学技术大学宋骧骧研究员为论文共同第一作者。
有机材料因其弱自旋轨道耦合和超精细相互作用，在自旋电子器件领域具有得天独厚的优势。目前基于有机材料的自旋阀、自旋存储器件及自旋发光二极管已经吸引了广泛的研究兴趣。研究显示，有机半导体/铁磁金属所构成的自旋界面对器件自旋注入具有关键性作用，同时自旋界面又依赖于分子结构性质及侧链取代。然而，由于难以在器件层面实现高质量的有机半导体/铁磁界面，前期的研究集中于在铁磁金属上吸附有机分子来研究自旋界面，大大限制了有机自旋器件的发展。如何结合高质量有机半导体及先进器件工艺在器件层面实现高质量有机半导体/铁磁界面是揭示自旋界面效应及促进有机自旋电子器件发展的关键所在。
针对这一重大科学问题，研究团队结合高质量二维有机晶体及无损的范德华金属转移技术实现了原子级平整的有机半导体/铁磁界面，并在此基础上构建了高性能的自旋阀器件。基于“分子堆垛→自旋界面→器件性能”的研究思路，从器件层级，揭示了分子层数和堆垛对器件性能与自旋注入效率的调制作用。研究结果表明，分子晶体层数（单层或双层）和排列（垂直或倾斜）可调控有机半导体/铁磁界面的自旋态。通过改变分子堆垛结构，可以在邻近自旋界面的分子层中产生显著的极化自旋密度，这些极化自旋由于分子层间良好的电导匹配而实现了更高的自旋注入，进而可实现更高性能的自旋阀器件。该研究成果为进一步探索有机半导体/铁磁界面提供了强有力的研究平台，也使得具有可控自旋界面的高性能有机自旋电子器件变得触手可及。
本工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省高等学校自然科学基金、有机电子与信息显示国家重点实验室、广东省大湾区集成电路与系统研究院重点领域研发基金等项目资助。必赢3003no1线路检测中心徐勇教授、高丽教授、钮伟副教授和华北电力大学刘小龙副教授对该项目给予了大量支持和帮助。此外，南京大学王欣然教授和北京大学韩伟教授对本工作提供了宝贵建议与实验支持。
具有高质量界面的自旋阀器件揭示分子堆垛对有机半导体/铁磁自旋界面的调制作用
（撰稿：罗中中 初审：赵强、程勇 编辑：王存宏 审核：张丰）