En utskrivbar organisk polymer som sätts samman till kirala strukturer vid tryckning har gjort det möjligt för forskare att på ett tillförlitligt sätt mäta mängden laddning som produceras vid spin-till-laddning-omvandling i ett spintroniskt material vid rumstemperatur. Polymerens avstämbara egenskaper och mångsidighet gör den önskvärd inte bara för billigare, miljövänliga, utskrivbara elektroniska applikationer, utan också för användning för att förstå chiralitet och spinninteraktioner mer allmänt.
Spintronic-enheter är elektroniska enheter som utnyttjar en elektrons spinn, snarare än dess laddning, för att skapa energieffektiv ström som används för datalagring, kommunikation och beräkningar. Kirala material hänvisar till material som inte kan påtvingas sin spegelbild – tänk till exempel på dina vänstra och högra händer. Om du lägger din vänstra hand över din högra, är fingerpositionerna omvända. Det är kiralitet.
Kiralitet i spintroniska material gör det möjligt för designers att styra riktningen av spinn i materialet, känd som "chirality-induced spin selectivity (CISS)"-effekten. CISS-effekten uppstår när laddningsström flyter längs den kirala axeln i ett kiralt material, och producerar spin-eller laddning-till-spin-omvandling utan att behöva ferromagnetiska element. Charge-to-spin-konvertering är nödvändig för minneslagring i datorenheter.
"Vi vet att CISS-driven laddning-till-spin-konvertering fungerar effektivt i kirala halvledare, men vi vill veta varför", säger Dali Sun, docent i fysik, medlem av Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) i North Carolina State University och medförfattare till verket. "Och ett enkelt sätt att förstå den förbryllande mekaniken i en sådan process är att vända den, det vill säga att titta på spin-to-charge-konvertering via den omvända CISS-effekten."
Sun arbetade med Ying Diao, docent i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Illinois Urbana-Champaign och medförfattare till arbetet, som utvecklade tryckprocesser för att sätta samman konjugerade organiska polymerer till kirala spiralformade strukturer. Uppsatsen, "Inverse Chirality-Induced Spin Selectivity Effect in Chiral Assembly of π-Conjugated Polymers," har publicerats i Nature Materials .
"Ekologiska material kan transportera spinn över långa avstånd, men de är inte bra på att omvandla spinn till laddning, vilket är nödvändigt för spintroniska enheter", säger Diao. "Genom att göra strukturen hos detta material kiral kan vi utnyttja det för att konvertera mellan spinn och laddning."
"CISS-effekten skapas genom att sätta en laddning i en kiral spintronisk enhet, men att ta reda på hur effektivt laddningen omvandlas till spin i enheten är mycket utmanande eftersom det är svårt att mäta den producerade spinn på ett kvantitativt sätt," säger Sun .
"Den omvända chiralitetsinducerade spinselektivitetseffekten, eller ICISS, där du sätter spinn i enheten och mäter den resulterande strömmen, har inte studerats i organiska polymerer," säger Sun. "Men det är mycket lättare att mäta ström än att snurra. Så det var vad vi gjorde."
Sun använde mikrovågsexcitation som en spinnpumpningsteknik för att injicera ren spinn i den organiska polymeren och mäta den resulterande strömmen.
Forskarna fann att spinnlivslängder upp till nanosekunder kunde uppnås i den kirala organiska polymeren vid rumstemperatur, i motsats till pikosekundlivslängderna i traditionella spintroniska material.
"Det fina med det här materialet - bland annat - är dess tunerbarhet", säger Sun. "Vi kan ändra kiralitet, konduktivitet och se hur det påverkar spinn eller effektivitet. Vi har nu ett sätt att verkligen få insikt om varför CISS-relaterade spintronic-enheter fungerar, vilket kan hjälpa oss att designa bättre och effektivare sådana."
"Polymerbaserad elektronik är mycket mindre energikrävande att tillverka än nuvarande elektronik och är lätt att skala upp för produktion", säger Diao. "Eftersom polymerhalvledare är utskrivbara - de kan skrivas ut på samma sätt som tidningar - skulle de vara idealiska för bärbara, flexibla och töjbara applikationer, allt från solceller till nya former av datorer."
Mer information: "Omvänd chiralitetsinducerad spinselektivitetseffekt i kirala sammansättningar av π-konjugerade polymerer", Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01838-8
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av North Carolina State University
