印刷聚合物使研究人员能够在室温下探索手性和自旋相互作用

一种可印刷的有机聚合物在印刷时组装成手性结构，使研究人员能够可靠地测量室温下自旋电子材料内自旋到电荷转换产生的电荷量。该聚合物的可调品质和多功能性使其不仅适用于更便宜、环保、可印刷的电子应用，而且还适用于更广泛地理解手性和自旋相互作用。

自旋电子设备是利用电子自旋而不是电荷来产生用于数据存储、通信和计算的节能电流的电子设备。手性材料是指不能施加在其镜像上的材料——例如，想想你的左手和右手。如果将左手放在右手上，手指位置就会颠倒过来。这就是手性。

自旋电子材料中的手性使设计人员能够控制材料内的自旋方向，称为“手性诱导自旋选择性(CISS)”效应。当充电电流沿着手性材料中的手性轴流动时，会发生CISS效应，从而产生自旋或电荷到自旋的转换，而无需铁磁元件。电荷到自旋转换对于计算设备中的存储器存储是必要的。

北卡罗来纳州有机与碳电子实验室(ORaCEL)成员、物理学副教授DaliSun表示：“我们知道CISS驱动的电荷自旋转换在手性半导体中可以高效工作，但我们想知道原因。”州立大学和该作品的共同通讯作者。“理解这一过程的令人费解的机制的一个简单方法是将其反转，即通过逆CISS效应来观察自旋到电荷的转换。”

孙与伊利诺伊大学香槟分校化学和生物分子工程副教授、该论文的共同通讯作者YingDiao合作，后者开发了将共轭有机聚合物组装成手性螺旋结构的印刷工艺。论文“π-共轭聚合物手性组装中的逆手性诱导自旋选择性效应”已发表在《自然材料》上。

“有机材料可以长距离传输自旋，但它们不擅长将自旋转化为电荷，而这对于自旋电子器件来说是必需的，”刁说。“通过使这种材料的结构具有手性，我们可以利用它在自旋和电荷之间进行转换。”

“CISS效应是通过将电荷放入手性自旋电子器件中而产生的，但是弄清楚电荷在器件内转化为自旋的效率是非常具有挑战性的，因为很难以定量的方式测量产生的自旋，”孙说。

“反手性诱导的自旋选择性效应(ICISS)，即你将自旋放入器件并测量产生的电流，尚未在有机聚合物中进行研究，”孙说。“但是测量电流比测量自旋容易得多。所以这就是我们所做的。”

Sun使用微波激发作为自旋泵浦技术，将纯自旋注入有机聚合物并测量产生的电流。

研究人员发现，在室温下，手性有机聚合物的自旋寿命可以达到纳秒级，而传统自旋电子材料的自旋寿命只能达到皮秒级。

“这种材料的优点之一就是它的可调性，”孙说。“我们可以改变手性、电导率，看看它如何影响自旋或效率。我们现在有一种方法可以真正深入了解CISS相关自旋电子器件的工作原理，这可以帮助我们设计更好、更高效的器件。”

“与当前的电子产品相比，基于聚合物的电子产品的制造能耗要低得多，并且很容易扩大生产规模，”刁说。“由于聚合物半导体是可印刷的——它们可以像报纸一样印刷——它们将成为从太阳能电池到新型计算机等便携式、灵活和可拉伸应用的理想选择。”