Een printbaar organisch polymeer dat zich bij het printen in chirale structuren assembleert, heeft onderzoekers in staat gesteld om op betrouwbare wijze de hoeveelheid lading te meten die wordt geproduceerd bij de conversie van spin naar lading in een spintronisch materiaal bij kamertemperatuur. De afstembare kwaliteiten en veelzijdigheid van het polymeer maken het niet alleen wenselijk voor goedkopere, milieuvriendelijke, printbare elektronische toepassingen, maar ook voor gebruik bij het begrijpen van chiraliteit en spin-interacties in het algemeen.

Spintronische apparaten zijn elektronische apparaten die de spin van een elektron benutten, in plaats van de lading ervan, om energie-efficiënte stroom te creëren die wordt gebruikt voor gegevensopslag, communicatie en computergebruik. Chirale materialen verwijzen naar materialen die niet aan hun spiegelbeeld kunnen worden opgelegd, denk bijvoorbeeld aan uw linker- en rechterhand. Als u uw linkerhand over uw rechter legt, zijn de vingerposities omgekeerd. Dat is chiraliteit.

Chiraliteit in spintronische materialen stelt ontwerpers in staat de richting van de spin binnen het materiaal te controleren, bekend als het "chiraliteitsgeïnduceerde spinselectiviteit (CISS)" effect. Het CISS-effect treedt op wanneer laadstroom langs de chirale as in een chiraal materiaal vloeit, waardoor spin (of lading-naar-spin-conversie) ontstaat zonder dat er ferromagnetische elementen nodig zijn. Charge-to-spin-conversie is nodig voor geheugenopslag in computerapparatuur.

"We weten dat CISS-aangedreven lading-naar-spin-conversie efficiënt werkt in chirale halfgeleiders, maar we willen weten waarom", zegt Dali Sun, universitair hoofddocent natuurkunde, lid van het Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) in North Carolina. State University en co-corresponderende auteur van het werk. "En een gemakkelijke manier om de raadselachtige werking van zo'n proces te begrijpen, is door het om te keren, dat wil zeggen door te kijken naar de conversie van spin naar lading via het omgekeerde CISS-effect."

Sun werkte samen met Ying Diao, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire technologie aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en co-corresponderende auteur van het werk, die printprocessen ontwikkelde om geconjugeerde organische polymeren samen te stellen tot chirale spiraalvormige structuren. Het artikel, "Inverse Chirality-Induced Spin Selectivity Effect in Chiral Assemblies of π-Conjugated Polymers", is gepubliceerd in Nature Materials .

"Organische materialen kunnen spin over lange afstanden transporteren, maar ze zijn niet goed in het omzetten van spin in lading, wat nodig is voor spintronische apparaten", zegt Diao. "Door de structuur van dit materiaal chiraal te maken, kunnen we het gebruiken om te converteren tussen spin en lading."

"Het CISS-effect wordt gecreëerd door een lading in een chiraal spintronisch apparaat te plaatsen, maar uitzoeken hoe efficiënt de lading in het apparaat wordt omgezet in spin is een hele uitdaging, omdat het moeilijk is om de geproduceerde spin op een kwantitatieve manier te meten", zegt Sun. .

"Het inverse chiraliteit-geïnduceerde spin-selectiviteitseffect, of ICISS, waarbij je spin in het apparaat stopt en de resulterende stroom meet, is niet onderzocht in organische polymeren", zegt Sun. "Maar het is een stuk eenvoudiger om stroom te meten dan om spin te meten. Dus dat hebben we gedaan."

Sun gebruikte microgolfexcitatie als spin-pomptechniek om pure spin in het organische polymeer te injecteren en de resulterende stroom te meten.

De onderzoekers ontdekten dat spinlevensduur tot nanoseconden haalbaar waren in het chirale organische polymeer bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot de picosecondelevensduur in traditionele spintronische materialen.

"De schoonheid van dit materiaal is onder andere de afstembaarheid", zegt Sun. "We kunnen de chiraliteit en de geleidbaarheid veranderen en zien hoe dat de spin of efficiëntie beïnvloedt. We hebben nu een manier om echt inzicht te krijgen in waarom CISS-gerelateerde spintronische apparaten werken, wat ons zou kunnen helpen betere en efficiëntere apparaten te ontwerpen."

"Op polymeren gebaseerde elektronica is veel minder energie-intensief om te fabriceren dan de huidige elektronica, en is gemakkelijk op te schalen voor productie", zegt Diao. "Aangezien polymere halfgeleiders bedrukbaar zijn (ze kunnen op dezelfde manier worden afgedrukt als kranten) zouden ze ideaal zijn voor draagbare, flexibele en rekbare toepassingen, variërend van zonnecellen tot nieuwe vormen van computers."

Meer informatie: "Door omgekeerde chiraliteit geïnduceerd spinselectiviteitseffect in chirale assemblages van π-geconjugeerde polymeren", Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01838-8

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door North Carolina State University