手性导电聚苯胺基自旋电子器件的构建与机理研究

摘要

通过向传统电子学引入自旋的概念，自旋电子学研究如何有效精准地操纵电子自旋以实现高密度信息的存储、传输和处理。有机材料由于其较弱的自旋轨道耦合作用，有较长的自旋弛豫时间和较大的自旋扩散长度，再加之柔性低成本、易大面积制备的特点，成为极具吸引力的自旋输运材料，全有机自旋电子器件的研究成为发展趋势。目前很多自旋电子器件都需要低温、强磁场的工作环境而不利于产业化发展，为了解决上述问题，进一步推动自旋在磁存储方面的应用，本论文基于手性诱导自旋选择（CISS）效应和自旋输运的原理，将导电聚合物、超分子手性与自旋电子器件有机统一，从手性和非手性导电聚苯胺（PANI）纤维的合成入手，研究了手性聚苯胺的结构特点和导电机理，制备了手性聚苯胺基Au/Ni、Au/Au、Ni/Ni两端自旋电子器件和非手性聚苯胺基Au/Ni器件，完成了上述器件性能的测试和分析，得到了在室温和低磁场条件下较高的自旋极化率（SP）和磁电阻值（MR），并结合理论模拟对实验结果给出了合理解释。论文完成的主要工作包括： 1.利用手性掺杂剂（樟脑磺酸，CSA）原位诱导聚合法合成了手性导电聚苯胺微米纤维，将其作为手性器件的自旋输运材料。经SEM、TEM、SAED和XRD表征，结果显示纤维长程有序、螺旋结构清晰，其直径约为1μm、长度约20μm。两种手性对映体的圆二色谱（CD）成镜像对称且强度达到800mdeg。随后，作为对比，我们又制备了形貌较为均匀的对甲苯磺酸（PTSA）掺杂的非手性聚苯胺导电纤维用于非手性器件的制备，SEM显示纤维直径为1μm左右、长度约为20μm。 2.设计并制备了基于手性导电PANI微米纤维的Au/Ni两端横向自旋电子器件，对其进行电学性质和包括自旋极化率和磁电阻在内的磁学响应的测试，结果表明该器件具有高的自旋选择性，SP随外加偏压增大而减小，但在室温外加5V较高偏压的条件下仍达0.35。总之，此手性器件在室温和低磁场条件下表现出了较高的自旋极化率和磁阻值，且自旋输运距离达到微米级，可作为有效的自旋过滤器件。此外，当平行和反平行于聚苯胺纤维施加磁场时，该器件表现出高阻和低阻两个状态，可作为自旋逻辑器件，表明将手性材料引入有机自旋电子器件大有应用潜力。 3.作为对比实验，我们只控制改变器件结构的一个因素（电极或手性特征）制备了基于手性PANI导电纤维的Au/Au和Ni/Ni器件以及基于非手性PANI导电纤维的Au/Ni器件。进行电学性质和相关的磁学响应测试，在手性Au/Au、手性Ni/Ni和非手性Au/Ni器件中没有发现自旋选择作用，对比于手性Au/Ni器件明显的自旋选择和自旋过滤能力，说明了手性结构和异质电极对探测自旋信号的重要作用。 4.用第一性原理的方法对手性PANI分子建模并优化，基于紧束缚SSH模型对其进行理论计算，结果表明，手性聚苯胺纤维对不同自旋的电子输运具有选择性，且随偏压增大SP逐渐下降并趋于稳定。由于π-π堆积和自旋轨道耦合作用，当电子在正偏压下沿纤维长轴方向运动时，右手型的导电聚苯胺纤维倾向于通过自旋向下的电子而不利于自旋向上电子的通过，左手型的导电聚苯胺纤维更倾向于通过自旋向上的电子而不利于自旋向下电子的通过；若施加负的偏压使电子的运动方向反向，则右手聚苯胺纤维有利于自旋向上电子的输运而左手聚苯胺纤维有利于自旋向下电子的输运。理论模拟的结果与我们的实验结果一致，并与前人手性相关的研究结果相符合。

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