有机半导体材料由轻质元素组成，表现出较弱的自旋轨道耦合作用，这使其能够保持较长的自旋寿命，并在室温下展现出巨大的自旋传输潜力。过去二十年中，针对有机半导体在自旋阀中作为非磁性中间层的应用进行了大量研究，但自旋传输效率依然较低（通常磁阻比<5%，自旋扩散长度<100纳米）。目前，有机半导体的自旋弛豫通常被认为是由氢原子的超精细耦合引起的，然而在结构复杂的有机光电材料中仅考虑氢原子的作用显然是不全面的。因此，分子结构和自旋弛豫对自旋传输的作用，尤其在室温下的影响，仍很难明确。如何突破这些瓶颈，在室温下实现自旋传输效率的提升，成为一个亟待解决的挑战。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室的刘云圻院士和郭云龙研究员团队在高迁移率半导体领域取得了一系列重要进展（Natl. Sci. Rev.2024,11,nwad253; Adv. Mater. 2022,34,2104325.）。他们开发了新型分子材料体系，并为探索自旋传输和材料微观弛豫机制积累了丰富的研究经验（ACS Mater. Lett.2022,4,805; Natl. Sci. Rev.2022,9,nwab145; Sci. Bull.2022,67,1849; Adv. Funct. Mater.2019,29,1804839.）。
近期，该团队与国家纳米科学中心、北京工业大学以及清华大学的研究人员合作，首次揭示了氮原子在室温下分子自旋弛豫过程中所起的关键作用，明晰了电子自旋与分子结构组成之间的耦合关系。他们在环化靛蓝单元边缘进行卤素取代，在不改变自旋寿命的情况下将载流子迁移率提高了十倍，最终在室温下实现了长达的247 nm自旋扩散长度和8.7%的磁阻比。同时，室温下观测到N原子的超精细耦合对电子自旋的相干信号，证明了N原子在室温下表现出比H原子更强的自旋耦合，并且这一规律在多种光电功能分子中得到验证。提出的边缘取代策略，为有机自旋输运材料的设计提供了新思路。相关研究成果发表在Nat. Commun.2024,15,8368，博士生杨学礼、博士生郭安康和杨杰博士为文章共同一作，通讯作者为郭云龙研究员和刘云圻院士，以及国家纳米科学中心郭立丹副研究员以及孙向南研究员。
![]()
▲ 环化靛蓝聚合物的室温自旋输运和弛豫作用机制
