基于手性分子的自旋电子器件研究

20251129

科学研究和技术服务业

已经完成的相关成果

可国（境）内外转让

“手性界面调控” 思路可迁移至钴、镍合金及 GaAs 等材料，推动自旋电子学与催化、新能源等领域融合。 为量子通信，提供低损耗手性光发射器，为光电探测领域开发 “手性光增强型探测器” 提供结构参考，助力生物分子检测等场景应用。 明确界面相互作用、分子有序排列对 SOC 的调控作用，为自旋电子器件（自旋过滤器、存储器）、半导体器件（低功耗晶体管、光电探测器）研发提供材料性能参数与设计依据。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

1）证明了手性诱导的自旋选择性(CISS)。通过自旋交换相互作用与磁-偶极-偶极相互作用导致磁性材料产生局域磁化现象的物理机制。申请人通过构建铁磁体/金属/手性螺旋分子，在室温和低温下成功实现了对Py翻转场的调控，并进一步证明界面处自旋交换相互作用和磁偶极-偶极相互作用的强度与界面金属材料相关，为金属/手性螺旋分子界面效应在自旋电子学器件中的应用提供了新的思路。在自旋量子调控方面开辟了一个独特路径，为将来有机分子在自旋电子学的大规模应用提供指导意见。 2）设计了微纳等离激元新结构。申请人通过实验证明，具有螺旋结构的手性金纳米棒的光学性能显著优于金纳米棒。构建了纳米结构的等离激元波导，模拟实现了手性光定向发射的调控与增强，证明手性光传播方向的改变程度与金纳米棒上的刻槽数量有关，为量子光学器件中手性光场的定向操控和发射源手性的改变提供了新思路。为自旋电子学、手性结构化学、光与物质相互作用等研究领域的交叉融合，为光子、激子、电荷和自旋之间的相互转换提供了一个新的平台。 3）基于实验测量手性分子的电子结合能与自旋极化信息，明确了SOC的关键来源及调控规律。申请人利用VASP软件，通过自洽计算迭代求解Kohn-Sham方程，获得稳定的电子密度与势场，系统探究了其晶体结构、稳定性及电子自旋相关性能。明确了SOC在分子电子结构中的具体表现形式，证实界面相互作用是调控SOC的重要途径。 本项目的顺利执行具有重要意义和价值。例如，可验证或修正现有理论模型（如自旋轨道耦合（SOC）作用机制、手性诱导自旋选择性（CISS）效应理论），为材料物理、凝聚态物理、手性化学等跨学科领域的理论体系完善提供实验与计算数据支撑，推动基础理论向更精准、更普适的方向发展。 本项目的应用前景：若材料具备可控的自旋相关性能（如自旋极化、SOC 效应），可用于研发自旋电子器件，如自旋过滤器、自旋存储器、自旋传感器等器件的研发。若材料具有适宜的半导体特性（如特定能隙宽度），可作为核心材料用于新型半导体器件的研发，如低功耗晶体管、高效光电探测器、半导体发光器件等。 综上，本项目聚焦新一代半导体自旋电子学的重要发展方向，即CISS效应及其核心，手性结构导致的自旋极化相关问题，系统开展了基于手性分子的自旋电子器件研究，利用具有螺旋结构的手性分子对不同金属界面下AHPA-L的Py面外磁化强度进行研究，采用Au/AHPA-L和Al/AHPA-L的加工和VSM测试，实现了对材料磁性行为的调控。进一步，通过FDTD计算方法，利用手性螺旋结构实现了手性光在等离间隙波导上的定向传播与增强，并最终采用DFT计算方法揭示了手性分子SOC的可能来源。本项目所取得的成果发表在国际著名杂志Appl. Phys. Lett.上，本项目为第三标注，且本项目研究成果发表论文如下： M.Y. Hu, X. M. Gao*, S. Y. Li, J. Z. Ran, X. Yang, F. Dou, T. R. Zhai and X. L. Wang*; Directional propagation and enhanced emission of chiral light manipulated by gold helices. Appl. Phys. Lett. 127, 041103 (2025).。