Nature Materials：猶他大學研究團隊在一系列有機半導體材料中發現逆自旋霍爾效應

張金睿 7年前 (2016-04-24) 3934瀏覽

在我們的日常生活中，發電機是利用機械力形成變化的磁場然后轉化成電，太陽能電池是將光轉化成電。大多數人都不知道的是，還有一種發電的方式，那就是利用逆自旋霍爾效應（ISHE）使磁性自旋流轉化成電流，關于這種產生電流的方式目前的科學研究還不多。

材料方面，目前廣泛利用的是傳統的無機半導體材料，但是有機半導體材料（OSEC）由于具有價格低廉、易加工、環境友好等優點有望取代現有的無機半導體材料，而且目前已經研發出了有機太陽能電池和LED顯示器。

2013年，研究人員就在有機半導體材料PEDOT:PSS中發現了ISHE現象。近日，猶他大學的一個研究團隊在包含PEDOT:PSS和富勒烯C60等材料的一系列有機半導體中發現了ISHE現象，這些材料在施加脈沖微波的情況下，磁性的自旋流轉化成電流，強度高出2013年的成果100倍。雖然這種磁生電的轉化效率目前還不清楚，不過在進一步深入研究后，這種發電方式有望應用于電子器件領域。

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這種磁生電的裝置示意圖如上圖。它位于一個玻璃片上，其中的類三明治結構最為關鍵，外界磁場和脈沖微波的共同作用在鐵磁體中產生自旋波，當這些波遇到有機半導體時，就產生所謂的自旋流，通過自旋軌道耦合原理，接著就會在銅電極處轉化成真正的電流。這樣通過脈沖波產生的ISHE要比通過連續波產生的ISHE強2-3個數量級。

圖1 脈沖自旋流經歷ISHE的測試
a: NiFe/OSEC/Cu裝置的示意圖，插圖是裝置的TEM照片，B:靜態外磁場，B1:磁場分量，M:NiFe薄膜中的動態磁化，Js:脈沖自旋流，S:自旋極化矢量，J:產生的電流，E-ISHE:產生的電場，V-ISEH:監測到的電壓，ISEH:監測到的電流；
b, c: NiFe (15 nm)/Pt (10 nm)/Cu (30 nm)裝置的V-p-ISHE的時間響應和磁場響應；
d: 對比脈沖微波和連續波產生的電壓，插圖表示電壓和脈沖能量的關系；
e-h: B和θB 與FMR吸收及p-ISHE之間的互相關系

圖2 Pt聚合物系列的電致發光譜以及Pt-1聚合物的p-ISHE響應
a: Pt-1,Pt-3,Pt-Q各自歸一化后的電致發光譜，從中可以估算出SOC強度；
b: OSEC基裝置p-ISHE-Is響應的示意圖；
c: Cu/Pt-1聚合物/NiFe/SiO2/Cu裝置的FMR譜；
d: Pt-1聚合物裝置中典型的p-ISHE(B)響應
e: p-ISHE(B)響應隨微波強度的變化