分子半導體材料由于具有豐富的光電性質(zhì)，被廣泛應用于分子電子器件的研究中，如光伏電池、發(fā)光二極管和場(chǎng)效應晶體管等。此外，由于分子材料較弱的自旋軌道耦合作用，其自旋弛豫時(shí)間可以達到毫秒級，使之成為極具吸引力的自旋輸運材料。將分子半導體材料豐富的光電性質(zhì)與優(yōu)異的自旋輸運性質(zhì)有效結合，是探索構建全新功能性分子自旋電子器件，并實(shí)現分子自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域突破的新途徑。

　　

　　分子自旋光伏器件（MSP）是基于自旋閥器件結構和富勒烯（C60）分子材料構建的一種新型器件。該器件可在外部光、磁復合場(chǎng)作用下實(shí)現電子自旋和電荷輸出信號的相互耦合，進(jìn)而實(shí)現全新的器件功能，包括：磁場(chǎng)調控太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓，室溫下利用特定操控模式實(shí)現可控完全自旋極化電流輸出、磁控交流電信號輸出、磁控電池開(kāi)關(guān)等。

　　

　　MSP器件在自旋閥工作模式下，一個(gè)鐵磁電極（Co）用于向C60半導體層中注入自旋極化載流子，另外一個(gè)鐵磁電極（NiFe）用于自旋檢出，自旋極化的載流子通過(guò)C60薄膜實(shí)現輸運。在恒定偏壓下，該器件輸出電流隨兩個(gè)鐵磁電極的相對磁化方向變化（即自旋閥效應），受該效應影響的輸出電流百分比稱(chēng)為磁電流（MC）。另外，MSP器件在7.5Mw/cm2白光照射下可觀(guān)察到微弱的光伏效應。在短路的條件下，C60層中的光生載流子受內建電場(chǎng)的驅動(dòng)擴散到兩個(gè)鐵磁電極產(chǎn)生輸出電流，這些載流子因為通過(guò)磁性電極輸出后在極短的時(shí)間內完全自旋弛豫，因此并不會(huì )產(chǎn)生自旋閥效應。該器件在開(kāi)路時(shí)，外加電壓將驅動(dòng)電子從Co電極輸運到NiFe電極實(shí)現電荷復合，因為C60優(yōu)異的自旋輸運性質(zhì)，此時(shí)復合電流將會(huì )受自旋閥效應的影響。如上所述，MSP器件在光、磁復合場(chǎng)作用下，輸出電流與復合電流相異的自旋相關(guān)性是實(shí)現全新自旋器件功能性的關(guān)鍵。

　　

　　該研究提出的分子自旋光伏器件作為一種新型器件，在高靈敏度光、磁復合場(chǎng)傳感器、單器件磁控電流轉換器等方面具有潛在的應用價(jià)值，并且相較于傳統的分子自旋閥，該器件獲得相同磁電流響應信號的運行功率降低至1%以下。同時(shí)，該器件還可以應用于分子半導體材料自旋輸運和自旋光電子學(xué)等研究領(lǐng)域的探索中。

　　

　　孫向南為文章第一作者，Hueso為通訊作者，國家納米科學(xué)中心為第一完成單位。該工作得到了中科院“率先行動(dòng)”百人計劃、國家自然科學(xué)基金委面上項目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃的資助。（來(lái)源：中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心）