自旋電子器件的新製造方法:將有機分子塗覆到金屬上

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據日本東京大學官網近日報導，該校物理學家創造出一種製造自旋電子器件的新方法。這個新的製造方法很有吸引力，因為它採用了相對易於根據不同用途而進行配置的有機分子。這些分子層可以塗覆或者印刷到金屬上，創造新的電子功能。

背景

如今，幾乎所有的電子器件都是基於電子的的電荷特性。金屬導體或者半導體中的電荷定向運動會形成電流，電流可用於傳輸與處理數據信息。可是，當電流流經導線與半導體時，不可避免地會散發熱量，產生能耗。

（圖片來源：Getty Images）

目前，隨著晶片上集成的電晶體數量不斷增加，電流所帶來的發熱問題愈發嚴重，對晶片的處理速度與性能產生了負面影響，阻礙了電子器件的進一步小型化。

值得慶幸的是，電子除了電荷這一特性，還有另一種與生俱來的量子物理特性：「自旋」。它可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。自旋著的微小粒子，好像圍繞著自己的軸持續地旋轉，創造出可用於傳輸或存儲信息的磁矩。

（圖片來源：Sumio Ishihara）

類似於電流，自旋流就是電子自旋或者角動量的定向相干運動；不同於電流，自旋流並不需要電荷的宏觀移動。自旋霍爾效應為產生自旋流提供了一種簡單且有效的方法。當系統加上一個外部電場時，由於自旋軌道耦合作用，一個順磁體系可以產生一個垂直於電場的自旋流。這個自旋流的極化方向垂直於電場和流向的平面。

（圖片來源：Gopman/NIST）

基於對電子自旋與自旋流的研究，科學家們創造出了許多自旋電子器件。這些自旋電子器件具有體積小、速度快、功耗小等優勢。在後摩爾時代，自旋電子器件有望成為基於電荷與電流的傳統半導體器件的替代品。

基於磁振子的自旋電晶體（圖片來源：L. Cornelissen）

然而，想要實現有用的自旋電子器件，我們會面對幾項挑戰。這些挑戰包括尋找產生自旋流的方法，以及成功產生自旋流之後，讓自旋電子元件具備各種有價值的功能，這些功能包括作為高速存儲器保存數據的能力。

存儲密度達128Mb的自旋轉移矩-磁性隨機存儲器（STT-MRAM），寫入速度達14納秒。（圖片來源：日本東北大學）

創新

近日，日本東京大學固態研究所助理研究員 Hironari Isshiki 及其團隊，找到一種新穎、簡潔、優雅的方法，應對上述兩個複雜挑戰。

該校物理學家創造出一種製造自旋電子器件的新方法。由於這些高性能、低功耗的自旋電子器件具有美好的前景，所以製造這些器件的有效方法備受追捧。這個新的製造方法很有吸引力，因為它採用了相對易於根據不同用途而進行配置的有機分子。這些分子層可以塗覆或者印刷到金屬上，創造新的電子功能。

圖片展示了這項研究中使用的實驗樣本的構成結構（圖片來源：Isshiki et al.）

技術

Isshiki 表示：「我們成功地演示了通過一個簡單的『塗漆層』，在銅樣本中將自旋流高效轉化為電流。這一層只有一個原子的厚度，並由有機物組成。該器件的轉換效率堪比鉑或鉍等無機金屬材料製成的器件。然而，與無機材料相比，有機材料更易於操控，以便製造出各種不同的功能。」

這個有機層是由一種稱為「酞菁鉛（ lead(II) phthalocyanine）」的物質組成。注入到這個分子覆蓋的表面中的自旋流，被高效地轉化為我們熟悉的電流。研究人員通過各種不同厚度的有機層展開實驗，以觀察哪種厚度最有效。當這一層只有單個原子的厚度時，分子整齊排列，最高效地將自旋轉化為電流。

下圖所示：僅為0.6個分子厚度（左）、1.0個分子厚度（中）、1.9個分子厚度（右）的有機層的掃描隧道顯微鏡圖像 。

（圖片來源：Isshiki et al.）

價值

Isshiki 解釋道：「有機分子為自旋電子學研究人員特別提供了高度的設計自由，因為它們相對容易操控。我們希望看到可能會在高性能計算或者低功耗器件領域發揮作用的各種功能元件。這些超薄層也意味著我們有朝一日將創造出柔性器件，甚至是通過特種印表機創造的器件。」

未來

Isshiki 及其同事們的未來計劃探索位於導電材料上的其他有機層配置，以實現新的自旋功能。他們也希望研究電荷到自旋流的轉化，相反的過程已經在這項研究中進行了演示。該研究領域的目標是加速有機分子自旋電子學的研究。

關鍵字

自旋、有機、電子

參考資料

【1】H. Isshiki, K. Kondou, S. Takizawa, K. Shimose, T. Kawabe, E. Minamitani, N. Yamaguchi, F. Ishii, A. Shiotari, Y. Sugimoto, S. Miwa, Y. Otani. Realization of Spin-dependent Functionality by Covering a Metal Surface with a Single Layer of Molecules. Nano Letters, 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02619

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