Science：分子自旋光伏器件

【引言】

电子自旋电流可以用自旋阀来测量，该自旋阀是通过半导体层将电荷载流子从一个铁磁电极注入到另一个中的器件。一些有机半导体具有较长的自旋载流子寿命并且还可通过光伏效应产生电荷载流子。然而，分子器件一般都不具有光和自旋极化电流之间的完全相互作用。

【成果简介】

近日，西班牙CIC nanoGUNE研究中心的Luis E. Hueso教授（通讯作者）等人在Science上发表了题为“A molecular spin-photovoltaic device”的文章。在这篇文章中，介绍了一种基于C₆₀富勒烯的分子自旋光伏器件，其将光伏响应与穿过分子层的自旋传输相结合。光伏响应可以在小磁场的应用下进行改进，室温下的磁光伏效应可达5％。包括磁电流逆变器和某些照明度下发散磁电流的存在使其在传感领域大有用处。完全的自旋极化电流可以在光生载流子的存在下通过平衡外部的空间自旋极化注入产生。

【图文导读】

图一：器件原理图及其磁电流和光伏特性

(a)由Si，SiO₂，Co，AlO_x，C₆₀和Ni₈₀Fe₂₀（从底部到顶部）组成的C₆₀基分子自旋光伏（MSP）器件的示意图。

(b)在黑暗条件下10 mV偏置时，温度为295和80 K下MSP器件的磁电流。

(c)当电极的相对取向平行时，在室温下有无白光照射（7.5mW / cm²）时的电流-电压曲线。

图二：器件功能原理以及其在磁场中的光伏特性

(a) MSP器件在有（图1）无（图2）光照条件下作为短路单层分子太阳能电池的运行图

(b)在80 K（短路模式）下有无光照时电流与磁场的对应关系。

(c)在平行（图1）和反向平行（图2）配置下，磁场中以开路模式工作的MSP器件。

(d)在80 K时平行和反向平行配置条件下施加电压与磁场的对应关系。

(e)当FM电极的磁矩为平行和反相平行时白光（7.5mW / cm²）照射下的I-V曲线。

图三：在不同的光照条件下以恒定偏压操作器件

(a)在80K和10mV的恒定偏压下通过照射光强度操纵MSP装置中的I-B曲线。

(b)在I_P= -I_AP的特定情况下，电流的流动方向可以通过控制磁极的取向的磁场自由地反转，而不会改变其绝对值。

(c)输出电流I_out（I_AP、I_P）和归一化磁电流响应与光强度的对应关系;此曲线由（a）中测量的离散数据计算所得。

图四：不同偏压下器件在恒定光照时的操作及不同光和电压下更复杂的电光调制

(a)在80K的7.5mW / cm²恒定光照射下，对不同偏压下MSP装置的I-B曲线进行调控。

(b)不同磁场中的电流变化。这由其同时与光照强度和偏压的函数关系得到。

(c)同时改变偏压和光照时的电光调制。

【小结】

本文中，作者设计了基于C₆₀富勒烯的分子自旋光伏器件，其表现出了可切换的电阻和在室温下低磁场中的光伏效应。此外，器件还具有诸如磁电流逆变器的复杂功能，其在特定的光照条件下还能产生完全的自旋极化电流。这些特性都使其有望应用于传感、光伏等领域。

文献链接：A molecular spin-photovoltaic device（Science.2017，DOI: 10.1126/science.aan5348）

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