Trykt polymer giver forskere mulighed for at udforske chiralitet og spin-interaktioner ved stuetemperatur

En printbar organisk polymer, der samles til chirale strukturer, når den trykkes, har gjort det muligt for forskere at måle mængden af ​​ladning, der produceres ved spin-to-charge-konvertering i et spintronisk materiale ved stuetemperatur. Polymerens afstembare kvaliteter og alsidighed gør den ønskværdig ikke kun til billigere, miljøvenlige, udskrivbare elektroniske applikationer, men også til brug for at forstå chiralitet og spin-interaktioner mere generelt.

Spintronic-enheder er elektroniske enheder, der udnytter en elektrons spin, snarere end dens ladning, til at skabe energieffektiv strøm, der bruges til datalagring, kommunikation og databehandling. Chirale materialer refererer til materialer, der ikke kan pålægges deres spejlbillede - tænk for eksempel på dine venstre og højre hånd. Hvis du lægger din venstre hånd over din højre, vendes fingerpositionerne. Det er chiralitet.

Chiralitet i spintroniske materialer giver designere mulighed for at kontrollere rotationsretningen i materialet, kendt som "chirality-induced spin selectivity (CISS)"-effekten. CISS-effekten opstår, når ladningsstrømmen flyder langs den chirale akse i et chiralt materiale, hvilket producerer spin-eller ladning-til-spin-konvertering uden behov for ferromagnetiske elementer. Charge-to-spin-konvertering er nødvendig for hukommelseslagring i computerenheder.

"Vi ved, at CISS-drevet ladning-til-spin-konvertering fungerer effektivt i chirale halvledere, men vi vil gerne vide hvorfor," siger Dali Sun, lektor i fysik, medlem af Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) i North Carolina State University og medkorresponderende forfatter til værket. "Og en nem måde at forstå den forvirrende mekanik i en sådan proces er at vende den om, det vil sige at se på spin-til-ladning konvertering via den omvendte CISS-effekt."

Sun arbejdede sammen med Ying Diao, lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of Illinois Urbana-Champaign og co-korresponderende forfatter til værket, som udviklede printprocesser til at samle konjugerede organiske polymerer til chirale spiralformede strukturer. Artiklen, "Inverse Chirality-Induced Spin Selectivity Effect in Chiral Assembly of π-Conjugated Polymers," er blevet offentliggjort i Nature Materials .

"Økologiske materialer kan transportere spin over lange afstande, men de er ikke gode til at konvertere spin til ladning, hvilket er nødvendigt for spintroniske enheder," siger Diao. "Ved at gøre strukturen af ​​dette materiale chiral kan vi udnytte det til at konvertere mellem spin og ladning."

"CISS-effekten skabes ved at sætte en ladning ind i en chiral spintronisk enhed, men det er meget udfordrende at finde ud af, hvor effektivt ladningen konverteres til spin i enheden, fordi det er svært at måle det producerede spin på en kvantitativ måde," siger Sun. .

"Den omvendte chiralitetsinducerede spinselektivitetseffekt eller ICISS, hvor du sætter spin ind i enheden og måler den resulterende strøm, er ikke blevet undersøgt i organiske polymerer," siger Sun. "Men det er meget nemmere at måle strøm end spin. Så det var det, vi gjorde."

Sun brugte mikrobølgeexcitation som en spin-pumpeteknik til at injicere rent spin i den organiske polymer og måle den resulterende strøm.

Forskerne fandt ud af, at spin-levetider op til nanosekunder var opnåelige i den chirale organiske polymer ved stuetemperatur, i modsætning til picosekunder-levetiderne i traditionelle spintroniske materialer.

"Det smukke ved dette materiale - blandt andet - er dets tunerbarhed," siger Sun. "Vi kan ændre chiralitet, ledningsevne og se, hvordan det påvirker spin eller effektivitet. Vi har nu en måde at virkelig få indsigt i, hvorfor CISS-relaterede spintronic-enheder virker, hvilket kan hjælpe os med at designe bedre og mere effektive."

"Polymerbaseret elektronik er meget mindre energikrævende at fremstille end nuværende elektronik og er let at skalere op til produktion," siger Diao. "Da polymerhalvledere er printbare – de kan printes på samme måde som aviser – ville de være ideelle til bærbare, fleksible og strækbare applikationer lige fra solceller til nye former for computere."

Flere oplysninger: "Invers chiralitet-induceret spin-selektivitetseffekt i chirale samlinger af π-konjugerede polymerer", Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01838-8

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af North Carolina State University