スピン軌道相互作用の機能化に基づくポーラロンスピントロニクスの創生

基于自旋轨道相互作用功能化的极化子自旋电子学的创建

• 批准号: 14J12564
• 负责人: 渡邉 峻一郎
• 金额: $ 4.99万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J12564/
• 关键词: 有機スピントロニクス; スピントロニクス; 有機半導体材料

本研究の最大目標は、有機半導体材料を用いたスピントランジスタ(Spin-FET)のプロトタイプを作製することである。Spin-FETは電子の持つスピン自由度を用いた超高速・低消費電力が期待される夢のデバイスである。本研究課題では有機半導体材料のスピン軌道相互作用(SOC)を高機能化し, さらに微細加工技術などのナノテクノロジーや化学合成を最大限活用し、spin-FETの実現を目指した。まず当初の計画通り、ケンブリッジ大キャヴェンディッシュ研究所と共同研究体制を構築(計17ヶ月滞在)し, ナノスケールデバイスの作製及び、有機材料のスピン物性評価を行った。また、独国マインツ大学の理論家と共同研究体制を確立し, 量子化学計算から材料選定を効率化させる手法を用いた。その結果、当初の予想どおり原子番号の大きな元素を含む有機材料でのスピン軌道相互作用の増大を世界で初めて観測した（Nature Chemistry誌へ投稿準備中）。一方で、当初スピン寿命1秒, スピン拡散長10マイクロメートルの達成を目指したが、前者は1ミリ秒、後者は1マイクロメートルと及ばなかった。更なる材料選択の余地があり、今後とも引き続き実験を行う予定である。二年次は、引き続きケンブリッジ大を拠点とし、spin-FETの駆動に必要な磁気抵抗の観測を目指した。ケンブリッジ大で立ち上げた磁気輸送測定装置を用いて、これまで観測されていなかった全く新しい磁気抵抗効果を有機材料で初めて発見した。本研究成果はNature Materials誌にアクセプトされた。今回得られた磁気抵抗測定を用いることで、二年次の課題としていたスピン軌道相互作用の定量化・電気的検出が可能であり、目標が達成されたといえる。微細加工を用いたspin-FETのプロトタイプ作製はかなわなかったものの、微細加工技術等の習熟は十分に行うことができた。

这项研究的主要目标是使用有机半导体材料创建原型自旋晶体管（Spin-FET）。自旋FET是一种理想的器件，有望利用电子的自旋自由度实现超高速和低功耗。在本研究项目中，我们的目标是通过改进有机半导体材料的自旋轨道相互作用（SOC）功能并充分利用微加工技术和化学合成等纳米技术来实现自旋FET。首先，按照原计划，我们与剑桥大学卡文迪什实验室（总共停留了17个月）建立了联合研究框架，制作了纳米器件并评估了有机材料的自旋特性。我们还与德国美因茨大学的理论家建立了联合研究框架，并采用了一种基于量子化学计算的简化材料选择的方法。结果，正如最初预期的那样，我们在世界上首次观察到含有大原子序数元素的有机材料中自旋轨道相互作用的增加（目前正在准备提交给《自然化学》）。另一方面，我们最初的目标是实现1秒的自旋寿命和10微米的自旋扩散长度，但前者为1毫秒，后者为1微米，远远不够。材料选择还有进一步的空间，未来我们计划继续进行实验。第二年，他继续留在剑桥大学，旨在观察驱动自旋 FET 所需的磁阻。利用剑桥大学设置的磁输运测量装置，他首次发现了有机材料中以前从未观察到的全新磁阻效应。该研究成果被Nature Materials接收。利用这次获得的磁阻测量结果，可以对第二年的课题——自旋轨道相互作用进行量化和电学检测，可以说目标已经达到了。虽然我们无法使用微细加工来创建自旋FET原型，但我们能够充分掌握微细加工技术。

项目成果

Spin current in organic semiconductors

有机半导体中的自旋电流

• 发表时间: 2015
• 作者: Shuhei Sumino;Ilhyong Ryu;Shun Watanabe
• 通讯作者: Shun Watanabe

2D Coherent Charge Transport in Highly Ordered Conducting Polymers Doped by Solid State Diusion

固态扩散掺杂的高度有序导电聚合物中的二维相干电荷传输

• 发表时间: 2016
• 期刊: Nature Materials
• 影响因子: 41.2
• 作者: 1.K. Kang*;S. Watanabe*;K. Broch;A. Sepe;A. Brown;I. Nasrallah;M. Nikolka;Z. Fei;M. Heeney;D. Matsumoto;K. Marumoto;H. Tanaka;S. Kuroda;and H;Sirringhaus,
• 通讯作者: Sirringhaus,

Signature of the insulator-metal transition of a semicrystalline conjugated polymer in ionic-liquid-gated transistors

离子液体门控晶体管中半晶共轭聚合物的绝缘体-金属转变特征

• DOI: 10.7567/apex.8.021601
• 发表时间: 2015
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Tomonori Harada;Hiroshi Ito;Yoshihiro Ando;Shun Watanabe;Hisaaki Tanaka and Shin-ichi Kuroda
• 通讯作者: Hisaaki Tanaka and Shin-ichi Kuroda

Performance and Stability Enhancement of Dye-Sensitized and Perovskite Solar Cells by Al Doping of TiO2

• DOI: 10.1002/adfm.201401658
• 发表时间: 2014-10-15
• 期刊: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
• 影响因子: 19
• 作者: Pathak, Sandeep K.;Abate, A.;Steiner, Ullrich
• 通讯作者: Steiner, Ullrich

Organic Spintronics Breaking Through

有机自旋电子学的突破

• 发表时间: 2014
• 期刊: Asia Pacific News Letter
• 作者: 隅野 修平;宇野 美沙恵;福山 高英;柳 日馨;松浦 誠;山本 明典;岸川 洋介;Shun Watanabe
• 通讯作者: Shun Watanabe