分子半導(dǎo)體材料具有超長(zhǎng)的室溫自旋壽命，在實(shí)現(xiàn)室溫高效自旋輸運(yùn)和調(diào)控方面具有很大潛力，其結(jié)構(gòu)多樣性、可設(shè)計(jì)性以及豐富的光電特性為分子自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了廣闊空間。分子半導(dǎo)體材料化學(xué)結(jié)構(gòu)與自旋輸運(yùn)性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系研究是開(kāi)發(fā)高效自旋輸運(yùn)分子半導(dǎo)體材料以及構(gòu)建高效自旋器件的重要基礎(chǔ)，而電子順磁共振技術(shù)在分子材料自旋壽命探測(cè)中的應(yīng)用為該研究方向的發(fā)展提供了有效的測(cè)量手段。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心孫向南課題組利用電子順磁共振技術(shù)，在同分結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的分子構(gòu)象與材料自旋壽命的構(gòu)效關(guān)系研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)成果以Structural isomeric effect on spin transport in molecular semiconductors為題，在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。
 

　　分子半導(dǎo)體通常由原子序數(shù)較低的輕元素組成，因此具有較弱的自旋軌道耦合強(qiáng)度和較長(zhǎng)的自旋壽命。元素組成主導(dǎo)的自旋軌道耦合效應(yīng)通常被認(rèn)為是導(dǎo)致自旋在分子半導(dǎo)體中弛豫的主要因素，進(jìn)而影響材料自旋壽命和自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。同分異構(gòu)是有機(jī)半導(dǎo)體材料的典型現(xiàn)象，由于同分異構(gòu)體的元素組成完全相同，通常認(rèn)為同分異構(gòu)體之間的自旋壽命和輸運(yùn)性能理應(yīng)差異不大。ITIC和BDTIC是分子電子學(xué)研究中商業(yè)化的互為結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的小分子半導(dǎo)體材料，具有確定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和較高純度。基于對(duì)ITIC和BDTIC同分異構(gòu)體的自旋輸運(yùn)性能的研究，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，盡管ITIC及其結(jié)構(gòu)異構(gòu)體BDTIC這兩種薄膜的電荷輸運(yùn)和分子堆積性質(zhì)非常相似，但其自旋輸運(yùn)性能完全不同。通過(guò)進(jìn)一步的電子順磁共振實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)在BDTIC中形成的非共價(jià)構(gòu)象鎖可以增加自旋輸運(yùn)路徑上的自旋軌道耦合作用，從而降低自旋壽命。
 

　　該研究表明開(kāi)發(fā)高效的自旋輸運(yùn)分子半導(dǎo)體材料應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)異構(gòu)效應(yīng)的影響，這為解決未來(lái)薄膜中構(gòu)象鎖定量測(cè)量的挑戰(zhàn)提供了理論基礎(chǔ)。此外，該方法有望被拓展到更廣闊的分子科學(xué)應(yīng)用研究領(lǐng)域。
 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等的支持。
 

分子半導(dǎo)體材料中結(jié)構(gòu)異構(gòu)效應(yīng)對(duì)自旋壽命和自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的影響