分子半導體材料具有超長的室溫自旋壽命，在實現室溫高效自旋輸運和調控方面具有很大潛力，其結構多樣性、可設計性以及豐富的光電特性為分子自旋電子學的發展提供了廣闊空間。分子半導體材料化學結構與自旋輸運性質之間的構效關系研究是開發高效自旋輸運分子半導體材料以及構建高效自旋器件的重要基礎，而電子順磁共振技術在分子材料自旋壽命探測中的應用為該研究方向的發展提供了有效的測量手段。
 

　　近日，中國科學院國家納米科學中心孫向南課題組利用電子順磁共振技術，在同分結構異構體的分子構象與材料自旋壽命的構效關系研究方面取得進展。相關成果以Structural isomeric effect on spin transport in molecular semiconductors為題，在線發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。
 

　　分子半導體通常由原子序數較低的輕元素組成，因此具有較弱的自旋軌道耦合強度和較長的自旋壽命。元素組成主導的自旋軌道耦合效應通常被認為是導致自旋在分子半導體中弛豫的主要因素，進而影響材料自旋壽命和自旋擴散長度。同分異構是有機半導體材料的典型現象，由于同分異構體的元素組成完全相同，通常認為同分異構體之間的自旋壽命和輸運性能理應差異不大。ITIC和BDTIC是分子電子學研究中商業化的互為結構異構體的小分子半導體材料，具有確定的化學結構和較高純度。基于對ITIC和BDTIC同分異構體的自旋輸運性能的研究，該團隊通過實驗證明，盡管ITIC及其結構異構體BDTIC這兩種薄膜的電荷輸運和分子堆積性質非常相似，但其自旋輸運性能完全不同。通過進一步的電子順磁共振實驗和密度泛函理論計算，研究發現在BDTIC中形成的非共價構象鎖可以增加自旋輸運路徑上的自旋軌道耦合作用，從而降低自旋壽命。
 

　　該研究表明開發高效的自旋輸運分子半導體材料應考慮結構異構效應的影響，這為解決未來薄膜中構象鎖定量測量的挑戰提供了理論基礎。此外，該方法有望被拓展到更廣闊的分子科學應用研究領域。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項(B類)等的支持。
 

分子半導體材料中結構異構效應對自旋壽命和自旋擴散長度的影響