Science：分子自旋光伏器件

【引言】

電子自旋電流可以用自旋閥來測量，該自旋閥是通過半導體層將電荷載流子從一個鐵磁電極注入到另一個中的器件。一些有機半導體具有較長的自旋載流子壽命并且還可通過光伏效應產生電荷載流子。然而，分子器件一般都不具有光和自旋極化電流之間的完全相互作用。

【成果簡介】

近日，西班牙CIC nanoGUNE研究中心的Luis E. Hueso教授（通訊作者）等人在Science上發表了題為“A molecular spin-photovoltaic device ”的文章。在這篇文章中，介紹了一種基于C₆₀富勒烯的分子自旋光伏器件，其將光伏響應與穿過分子層的自旋傳輸相結合。光伏響應可以在小磁場的應用下進行改進，室溫下的磁光伏效應可達5％。包括磁電流逆變器和某些照明度下發散磁電流的存在使其在傳感領域大有用處。完全的自旋極化電流可以在光生載流子的存在下通過平衡外部的空間自旋極化注入產生。

【圖文導讀】

圖一：器件原理圖及其磁電流和光伏特性

(a)由Si，SiO₂，Co，AlO_x，C₆₀和Ni₈₀Fe₂₀（從底部到頂部）組成的C₆₀基分子自旋光伏（MSP）器件的示意圖。

(b)在黑暗條件下10 mV偏置時，溫度為295和80 K下MSP器件的磁電流。

(c)當電極的相對取向平行時，在室溫下有無白光照射（7.5mW / cm²）時的電流-電壓曲線。

圖二：器件功能原理以及其在磁場中的光伏特性

(a) MSP器件在有（圖1）無（圖2）光照條件下作為短路單層分子太陽能電池的運行圖

(b)在80 K（短路模式）下有無光照時電流與磁場的對應關系。

(c)在平行（圖1）和反向平行（圖2）配置下，磁場中以開路模式工作的MSP器件。

(d)在80 K時平行和反向平行配置條件下施加電壓與磁場的對應關系。

(e)當FM電極的磁矩為平行和反相平行時白光（7.5mW / cm²）照射下的I-V曲線。

圖三：在不同的光照條件下以恒定偏壓操作器件

(a)在80K和10mV的恒定偏壓下通過照射光強度操縱MSP裝置中的I-B曲線。

(b)在I_P = -I_AP的特定情況下，電流的流動方向可以通過控制磁極的取向的磁場自由地反轉，而不會改變其絕對值。

(c)輸出電流I_out（I_AP、I_P）和歸一化磁電流響應與光強度的對應關系;此曲線由（a）中測量的離散數據計算所得。

圖四：不同偏壓下器件在恒定光照時的操作及不同光和電壓下更復雜的電光調制

(a)在80K的7.5mW / cm²恒定光照射下，對不同偏壓下MSP裝置的I-B曲線進行調控。

(b)不同磁場中的電流變化。這由其同時與光照強度和偏壓的函數關系得到。

(c)同時改變偏壓和光照時的電光調制。

【小結】

本文中，作者設計了基于C₆₀富勒烯的分子自旋光伏器件，其表現出了可切換的電阻和在室溫下低磁場中的光伏效應。此外，器件還具有諸如磁電流逆變器的復雜功能，其在特定的光照條件下還能產生完全的自旋極化電流。這些特性都使其有望應用于傳感、光伏等領域。

文獻鏈接：A molecular spin-photovoltaic device（Science.2017，DOI: 10.1126/science.aan5348）

本文由材料人編輯部daoke供稿，材料牛整理編輯。

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