Et nyt spin på organiske halvledere

Forskere har fundet ud af, at visse organiske halvledende materialer kan transportere spin hurtigere, end de leder ladning, et fænomen, der i sidste ende kunne strømme hurtigere, mere energieffektive computere.

Det internationale team fra Storbritannien, Tyskland og Tjekkiet, har fundet ud af, at disse materialer kunne bruges til "spintroniske" applikationer, hvilket kan gøre billige organiske halvledere konkurrencedygtige med silicium til fremtidige computerapplikationer. Resultaterne er rapporteret i journalen Naturelektronik .

'Spin' er betegnelsen for elektronernes iboende vinkelmoment, som omtales som op eller ned. Brug af elektronernes op/ned-tilstande i stedet for 0 og 1 i konventionel computerlogik kunne transformere den måde, hvorpå computere behandler information.

I stedet for at flytte rundt på ladningspakker, en enhed bygget på spintronics ville transmittere information ved hjælp af det relative spin af en række elektroner, kendt som en ren spinstrøm. Ved at eliminere ladningsbevægelsen, enhver sådan enhed ville have brug for mindre strøm og være mindre tilbøjelig til overophedning – og fjerne nogle af de væsentligste forhindringer for yderligere at forbedre computerens effektivitet. Spintronics kunne derfor give os hurtigere, energieffektive computere, i stand til at udføre mere komplekse operationer end i dag.

Siden organiske halvledere, udbredt i applikationer som OLED'er, er billigere og nemmere at producere end silicium, man havde troet, at spintroniske enheder baseret på organiske halvledere kunne drive en fremtidig computerrevolution. Men indtil videre, sådan er det ikke gået.

"For faktisk at overføre information gennem spin, elektronens spin skal rejse rimelige afstande og leve længe nok, før informationen, der er kodet på den, randomiseres, " sagde Dr. Shu-Jen Wang, en nylig ph.d. uddannet fra University of Cambridges Cavendish Laboratory, og avisens medførsteforfatter.

"Organiske halvledere har hidtil ikke været realistiske kandidater til spintronics, fordi det var umuligt at flytte spins rundt i et polymerkredsløb langt nok uden at miste den originale information, " sagde co-first forfatter Dr. Deepak Venkateshvaran, også fra Cavendish Laboratory. "Som resultat, feltet for organisk spintronik har været ret stille i det sidste årti."

Den indre struktur af organiske halvledere har en tendens til at være meget uordnet, som en tallerken spaghetti. Som sådan, ladningspakker bevæger sig ikke nær så hurtigt, som de gør i halvledere som silicium eller galliumarsenid, som begge har en højt ordnet krystallinsk struktur. De fleste eksperimenter med at studere spin i organiske halvledere har fundet ud af, at elektronspin og deres ladninger bevæger sig sammen, og da ladningerne bevæger sig langsommere, spin-informationen rækker ikke langt:typisk kun nogle få snese nanometer.

Nu, det Cambridge-ledede team siger, at de har fundet de forhold, der kunne gøre det muligt for elektronspind at rejse langt nok til en fungerende organisk spintronisk enhed.

Forskerne øgede kunstigt antallet af elektroner i materialerne og var i stand til at sprøjte en ren spinstrøm ind i dem ved hjælp af en teknik kaldet spinpumpning. Meget ledende organiske halvledere, fandt forskerne, er styret af en ny mekanisme til spin-transport, der omdanner dem til fremragende ledere af spin.

Denne mekanisme afkobler i det væsentlige spin-informationen fra ladningen, så spindene transporteres hurtigt over afstande på op til en mikrometer:langt nok til en laboratoriebaseret spintronic-enhed.

"Organiske halvledere, der både har lange spin-transportlængder og lange spin-levetider, er lovende kandidater til anvendelser i fremtidens spin-baserede, lavenergiberegning, kontrol- og kommunikationsudstyr, et felt, der i vid udstrækning har været domineret af uorganiske halvledere til dato, " sagde Venkateshvaran, som også er Fellow of Selwyn College.

Som et næste skridt, forskerne har til hensigt at undersøge den rolle, som den kemiske sammensætning spiller i en organisk halvleders evne til effektivt at transportere spin-information i prototype-enheder.