自旋电子器件的新制造方法将有机分子涂覆到金属上

据日本东京大学官网近来报导，该校物理学家发明出一种制作自旋电子器材的新办法。这个新的制作办法很有吸引力，由于它采用了相对易于依据不同用处而进行装备的有机分子。这些分子层能够涂覆或许印刷到金属上，发明新的电子功用。

布景

现在，简直一切的电子器材都是依据电子的的电荷特性。金属导体或许半导体中的电荷定向运动会构成电流，电流可用于传输与处理数据信息。但是，当电流流经导线与半导体时，不可避免地会发出热量，发生能耗。

现在，跟着芯片上集成的晶体管数量不断添加，电流所带来的发热问题益发严峻，对芯片的处理速度与功用发生了负面影响，阻止了电子器材的进一步小型化。

值得幸亏的是，电子除了电荷这一特性，还有另一种与生俱来的量子物理特性：“自旋”。它能够被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。自旋着的细小粒子，如同围绕着自己的轴继续地旋转，发明出可用于传输或存储信息的磁矩。

（图片来历：Sumio Ishihara）

类似于电流，自旋流便是电子自旋或许角动量的定向相干运动；不同于电流，自旋流并不需要电荷的微观移动。自旋霍尔效应为发生自旋流供给了一种简略且有用的办法。当系统加上一个外部电场时，由于自旋轨道耦合效果，一个顺磁系统能够发生一个垂直于电场的自旋流。这个自旋流的极化方向垂直于电场和流向的平面。

（图片来历：Gopman/NIST）

依据对电子自旋与自旋流的研讨，科学家们发明出了许多自旋电子器材。这些自旋电子器材具有体积小、速度快、功耗小等优势。在后摩尔年代，自旋电子器材有望成为依据电荷与电流的传统半导体器材的替代品。

依据磁振子的自旋晶体管（图片来历：L. Cornelissen）

但是，想要完成有用的自旋电子器材，咱们会面临几项应战。这些应战包含寻觅发生自旋流的办法，以及成功发生自旋流之后，让自旋电子元件具有各种有价值的功用，这些功用包含作为高速存储器保存数据的才能。

下图所示：存储密度达128Mb的自旋搬运矩-磁性随机存储器（STT-MRAM），写入速度达14纳秒。

（图片来历：日本东北大学）

立异

近来，日本东京大学固态研讨所助理研讨员 Hironari Isshiki 及其团队，找到一种新颖、简练、高雅的办法，应对上述两个杂乱应战。

该校物理学家发明出一种制作自旋电子器材的新办法。由于这些高功用、低功耗的自旋电子器材具有夸姣的远景，所以制作这些器材的有用办法备受追捧。这个新的制作办法很有吸引力，由于它采用了相对易于依据不同用处而进行装备的有机分子。这些分子层能够涂覆或许印刷到金属上，发明新的电子功用。

图片展现了这项研讨中运用的试验样本的构成结构（图片来历：Isshiki et al.）

技能

Isshiki 表明：“咱们成功地演示了经过一个简略的‘涂漆层’，在铜样本中将自旋流高效转化为电流。这一层只要一个原子的厚度，并由有机物组成。该器材的转化功率堪比铂或铋等无机金属资料制成的器材。但是，与无机资料比较，有机资料更易于控制，以便制作出各种不同的功用。”

这个有机层是由一种称为“酞菁铅（ lead(II) phthalocyanine）”的物质组成。注入到这个分子掩盖的外表中的自旋流，被高效地转化为咱们了解的电流。研讨人员经过各种不同厚度的有机层打开试验，以调查哪种厚度最有用。当这一层只要单个原子的厚度时，分子规整摆放，最高效地将自旋转化为电流。

下图所示：仅为0.6个分子厚度（左）、1.0个分子厚度（中）、1.9个分子厚度（右）的有机层的扫描隧道显微镜图画 。

（图片来历：Isshiki et al.）

价值

Isshiki 解释道：“有机分子为自旋电子学研讨人员特别供给了高度的规划自在，由于它们相对简单控制。咱们期望看到或许会在高功用核算或许低功耗器材范畴发挥效果的各种功用元件。这些超薄层也意味着咱们有朝一日将发明出柔性器材，乃至是经过特种打印机发明的器材。”

未来

Isshiki 及其搭档们的未来方案探究坐落导电资料上的其他有机层装备，以完成新的自旋功用。他们也期望研讨电荷到自旋流的转化，相反的进程已经在这项研讨中进行了演示。该研讨范畴的方针是加快有机分子自旋电子学的研讨。

关键字

自旋、有机、电子

参考资料

【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

【2】https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00069.html