新型分子界面量子调控研究三部曲

基于无机材料的微电子学、自旋电子学、集成电路等科学领域已经取得了举世瞩目的成就，将传统电子学带入量子时代；另一方面，有机材料的多样性、柔韧性、成本低等得天独厚的优势被广泛应用于太阳能电池、柔性智能穿戴、生物传感器等方面。因此，能否将有机材料与无机芯片相结合，利用分子多样性去干预和调控固体器件的量子效应？由于有机物与无机物与生俱来的巨大物理性质差异，其完美结合必将遭遇瓶颈，界面失配会导致调控的精确性、多样性和高效性受到限制。针对上述科学问题，北京工业大学理学部王晓蕾课题组近期取得了一系列重要研究进展。

01

分子界面诱导金属-绝缘体相变

金属-绝缘体相变是体现电子关联的典型宏观表现，在各种外界的调控手段下通常伴随着杂质缺陷、晶格畸变、界面应力、热扰动等干扰因素，不容易分析单个物理因素引起的其他物理性能的变化。物理性能与载流子浓度密切相关的代表性材料体系是(Ga,Mn)As，然而在这种体系中进行掺杂是非常困难的，传统的电场调控也面临栅压工艺制备困难和容易引入界面应力等因素。本工作采用半导体表面的分子自组装新技术，通过理论计算和实验测量证明在“分子/半导体”界面形成了抗散射、低损耗的电荷输运通道，实现了有机界面对磁性半导体(Ga,Mn)As中载流子浓度的大范围调控（1019 ~ 1021 cm-3），从而诱导出纯粹、灵活、可逆、无损伤的金属-绝缘体相变，同时引起对应的磁性状态的巨大变化。

图1 (a) 有机分子吸附在半导体器件表面实现等效的n型和p型掺杂的示意图；(b)“分子/半导体”界面的能级结构图，表明不同分子诱导费米能级之差从而引起电荷转移的过程；(c) 温度依赖的电阻率测量结果证明了不同有机分子吸附可以大幅调控(Ga,Mn)As薄膜的电学输运特性，从而实现金属-绝缘体相变。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03203

02

分子/半导体界面的自旋注入

图2 (a) 半导体表面的化学处理工艺和有机分子通过硫醇键实现自组装的过程示意图；(b) 利用纳米点样仪沉积任意形状的自组装分子，实现磁性半导体薄膜的自旋调控；(c) 手性分子/(Ga,Mn)As结构的自旋过滤器件示意图；(d) 磁阻效应测量证明手性分子产生的自旋极化电流被顺利注入到了磁性半导体中。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202203015

03

基于手性分子的新型自旋逻辑器件

现代信息技术的完整实现不仅需要存储信息，还需要有逻辑编译功能。有机分子与无机器件的结合必然带来新型的分子界面功能器件，成为信息领域的研究热点和重要发展方向。在前期的有机分子自组装和手性分子自旋过滤特性的基础上，本工作通过电学实验测量直接证明了在室温下具有左手螺旋结构的多肽分子的自旋注入效率为80%以上，远高于大多数的无机材料，并且无需任何磁性元素和外加磁场。进一步的，该工作设计了以手性多肽单层作为自旋注入电极的新型非局域自旋阀结构，并采用仿真软件实现了可重构的多种计算功能，证明了该自旋逻辑器件具有超高速、低功耗和制备简单等优势，为实现高效的自旋芯片提供了一种新的解决方案。

图3 (a) 基于手性分子自旋过滤效应的可重构逻辑器件示意图；(b) “异或”逻辑操作的输入-输出曲线；(c) “异或”操作实现过程的微磁学模拟；(d) 采用调制电压Vr实现的可重构逻辑功能。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9905542