Un polymère organique imprimable qui s'assemble en structures chirales une fois imprimé a permis aux chercheurs de mesurer de manière fiable la quantité de charge produite lors de la conversion spin-charge au sein d'un matériau spintronique à température ambiante. Les qualités réglables et la polyvalence du polymère le rendent souhaitable non seulement pour des applications électroniques imprimables moins coûteuses, respectueuses de l'environnement, mais également pour une utilisation plus générale dans la compréhension de la chiralité et des interactions de spin.
Les appareils spintroniques sont des appareils électroniques qui exploitent le spin d'un électron, plutôt que sa charge, pour créer un courant économe en énergie utilisé pour le stockage de données, la communication et l'informatique. Les matériaux chiraux font référence à des matériaux qui ne peuvent pas être imposés dans leur image miroir – pensez par exemple à vos mains gauche et droite. Si vous posez votre main gauche sur votre droite, les positions des doigts sont inversées. C'est la chiralité.
La chiralité dans les matériaux spintroniques permet aux concepteurs de contrôler la direction de rotation dans le matériau, connue sous le nom d'effet de « sélectivité de spin induite par la chiralité (CISS) ». L'effet CISS se produit lorsque le courant de charge circule le long de l'axe chiral dans un matériau chiral, produisant un spin (ou une conversion charge en spin) sans avoir besoin d'éléments ferromagnétiques. La conversion charge-tournage est nécessaire pour le stockage en mémoire dans les appareils informatiques.
"Nous savons que la conversion charge-spin pilotée par CISS fonctionne efficacement dans les semi-conducteurs chiraux, mais nous voulons savoir pourquoi", déclare Dali Sun, professeur agrégé de physique, membre du laboratoire d'électronique organique et carbonée (ORaCEL) de Caroline du Nord. Université d'État et auteur co-correspondant de l'ouvrage. "Et un moyen simple de comprendre les mécanismes déroutants d'un tel processus est de l'inverser, c'est-à-dire d'examiner la conversion spin-charge via l'effet CISS inverse."
Sun a travaillé avec Ying Diao, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur correspondant de l'ouvrage, qui a développé des procédés d'impression pour assembler des polymères organiques conjugués en structures hélicoïdales chirales. L'article intitulé "Inverse Chirality-Induced Spin Selectivity Effect in Chiral Assemblies of π-Conjugated Polymers" a été publié dans Nature Materials. .
"Les matériaux organiques peuvent transporter le spin sur de longues distances, mais ils ne sont pas efficaces pour convertir le spin en charge, ce qui est nécessaire pour les dispositifs spintroniques", explique Diao. "En rendant la structure de ce matériau chirale, nous pouvons l'exploiter pour effectuer une conversion entre spin et charge."
"L'effet CISS est créé en plaçant une charge dans un dispositif spintronique chiral, mais déterminer avec quelle efficacité la charge est convertie en spin au sein du dispositif est très difficile car il est difficile de mesurer le spin produit de manière quantitative", explique Sun. .
"L'effet de sélectivité de spin induit par la chiralité inverse, ou ICISS, dans lequel vous mettez du spin dans l'appareil et mesurez le courant résultant, n'a pas été étudié dans les polymères organiques", explique Sun. "Mais il est beaucoup plus facile de mesurer le courant que la rotation. C'est donc ce que nous avons fait."
Sun a utilisé l'excitation micro-onde comme technique de pompage de spin pour injecter du spin pur dans le polymère organique et mesurer le courant résultant.
Les chercheurs ont découvert que des durées de vie de spin allant jusqu'aux nanosecondes étaient réalisables dans le polymère organique chiral à température ambiante, par opposition aux durées de vie de picosecondes dans les matériaux spintroniques traditionnels.
"La beauté de ce matériau, entre autres choses, réside dans sa possibilité de réglage", explique Sun. "Nous pouvons modifier la chiralité, la conductivité et voir comment cela affecte le spin ou l'efficacité. Nous disposons désormais d'un moyen de vraiment comprendre pourquoi les dispositifs spintroniques liés au CISS fonctionnent, ce qui pourrait nous aider à en concevoir de meilleurs et plus efficaces."
"La fabrication des composants électroniques à base de polymères est beaucoup moins gourmande en énergie que celle des produits électroniques actuels et est facile à mettre à l'échelle pour la production", explique Diao. "Étant donné que les semi-conducteurs polymères sont imprimables (ils peuvent être imprimés de la même manière que les journaux), ils seraient idéaux pour des applications portables, flexibles et extensibles allant des cellules solaires aux nouvelles formes d'ordinateurs."
Plus d'informations : "Effet de sélectivité de spin induit par la chiralité inverse dans les assemblages chiraux de polymères π-conjugués", Nature Materials (2024). DOI :10.1038/s41563-024-01838-8
Informations sur le journal : Matériaux naturels
Fourni par l'Université d'État de Caroline du Nord
