Nature Materials：犹他大学研究团队在一系列有机半导体材料中发现逆自旋霍尔效应

张金睿 8年前 (2016-04-24) 4306浏览

在我们的日常生活中，发电机是利用机械力形成变化的磁场然后转化成电，太阳能电池是将光转化成电。大多数人都不知道的是，还有一种发电的方式，那就是利用逆自旋霍尔效应（ISHE）使磁性自旋流转化成电流，关于这种产生电流的方式目前的科学研究还不多。

材料方面，目前广泛利用的是传统的无机半导体材料，但是有机半导体材料（OSEC）由于具有价格低廉、易加工、环境友好等优点有望取代现有的无机半导体材料，而且目前已经研发出了有机太阳能电池和LED显示器。

2013年，研究人员就在有机半导体材料PEDOT:PSS中发现了ISHE现象。近日，犹他大学的一个研究团队在包含PEDOT:PSS和富勒烯C60等材料的一系列有机半导体中发现了ISHE现象，这些材料在施加脉冲微波的情况下，磁性的自旋流转化成电流，强度高出2013年的成果100倍。虽然这种磁生电的转化效率目前还不清楚，不过在进一步深入研究后，这种发电方式有望应用于电子器件领域。

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这种磁生电的装置示意图如上图。它位于一个玻璃片上，其中的类三明治结构最为关键，外界磁场和脉冲微波的共同作用在铁磁体中产生自旋波，当这些波遇到有机半导体时，就产生所谓的自旋流，通过自旋轨道耦合原理，接着就会在铜电极处转化成真正的电流。这样通过脉冲波产生的ISHE要比通过连续波产生的ISHE强2-3个数量级。

图1 脉冲自旋流经历ISHE的测试
a: NiFe/OSEC/Cu装置的示意图，插图是装置的TEM照片，B:静态外磁场，B1:磁场分量，M:NiFe薄膜中的动态磁化，Js:脉冲自旋流，S:自旋极化矢量，J:产生的电流，E-ISHE:产生的电场，V-ISEH:监测到的电压，ISEH:监测到的电流；
b, c: NiFe (15 nm)/Pt (10 nm)/Cu (30 nm)装置的V-p-ISHE的时间响应和磁场响应；
d: 对比脉冲微波和连续波产生的电压，插图表示电压和脉冲能量的关系；
e-h: B和θB 与FMR吸收及p-ISHE之间的互相关系

图2 Pt聚合物系列的电致发光谱以及Pt-1聚合物的p-ISHE响应
a: Pt-1,Pt-3,Pt-Q各自归一化后的电致发光谱，从中可以估算出SOC强度；
b: OSEC基装置p-ISHE-Is响应的示意图；
c: Cu/Pt-1聚合物/NiFe/SiO2/Cu装置的FMR谱；
d: Pt-1聚合物装置中典型的p-ISHE(B)响应
e: p-ISHE(B)响应随微波强度的变化