随着手机信号塔、移动设备、WiFi、蓝牙、5G等等产生的微波越来越多地充斥着我们的世界,自然而然,科学家们将探讨将这些电磁波转化成能量的方法。犹他州立大学的科学家们发现了一种新方法:在有机半导体内将微波能量转化为电能。

在实验室中,他们已经证明了一种被称为逆自旋霍尔效应的新效应,它能利用微波作为磁自旋的源,将磁自旋流转换成电流。这听起来像是绕远了,因为手机天线已经将微波转化为电能,但他们演示的重点并非预演某个应用,而是为了证明逆自旋霍尔效应确实可以被利用和控制,从而成为21世纪的一个工具。他们预测这在电池、太阳能电池和移动设备上会派上用场。

“我们从该设备收集的能量是通过微波辐射的方式输送进该设备的——在这个意义上,能量转换与天线的机理一样,即将电磁辐射转换成电流,”犹他州立大学教授Christoph Boehme在接收笔者独家专访时表示,“不同的是,我们设备作用的物理机制完全不同。转换不是通过感应完成的,而是借助逆自旋霍尔效应。事实上,要澄清我们看到的不是诸如电感应(例如简单的天线效应)的寄生效应,或其它已知的现象,是这一研究的目的。”

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图1:犹他州立大学物理学家Valy Vardeny和Christoph Boehme演示了可将磁自旋转换成电流的多种有机半导体,它们可用于未来的太阳能电池、电池和移动电子设备。(资料来源:美国犹他州大学,Lee Siegel)

逆霍尔效应最早是由前苏联科学家在1984年证明的,最近又在半导体领域(2006年)和铁磁性金属领域(2013年)进行了研究。其概念相对简单:正如传导电流的导线周围的原子会引发磁自旋,且自旋方向取决于电流方向,同样,若能引发导线周围的原子发生磁自旋,则导线内也该会有电流。

然而,概念虽简单,可所需的演示仪器要复杂——为此,微波粉墨登场。逆自旋霍尔效应的早期实验使用的是恒定微波,这与微波炉内的一样。不幸的是,微波将仪器的其余部分烤焦了,实验很快夭折,没什么成绩。他们的失败也给收集环境中的杂散微波留下阴影,虽然Boehme和他的合作伙伴Valy Vardeny研究员教授都认为该想法有可取之处。

“这是个很好的想法,但它是否会成为逆自旋霍尔效应的应用还有待证明。” Boehme在回答笔者利用杂散微波发电的建议时表示。

然而,由于他在实验中使用脉冲微波消除了过热问题,他可能只是出于礼貌。另外,他建议的应用听起来比我的更可行。

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图2:构建在一小片玻璃条(顶部)上的器件演示了使用逆自旋霍尔效应可将磁自旋流转换为电流。关键是一个夹芯状装置(底部),其中外部磁场和微波脉冲在铁磁体上产生自旋波,然后自旋波在嵌入到有机半导体(聚合物)内的铜电极上转换为电流。(来源:犹他大学,Kipp van Schooten和Dali Sun)

“我们从其它自旋电子学应用(如硬盘读磁头)了解到,自旋电子学可填补磁场到电流转换——其中简单感应不再有效,也即感应变得很不敏感、很低效(就硬盘来说,读取头太小时就如此)——的技术空白。”Boehme表示,“可以想象以非常低的成本,像柔性衬底(本质上是箔片)上的单片纳米尺寸薄膜器件一样,用有机半导体层做出逆自旋霍尔效应器件,所以现在还无法预测应用范围。如果效率允许(我们现在还不知道!),那么也可以想象,可以用它来收集周围环境的微波辐射,并将其中的能量用于其它应用。”

一言以蔽之:逆自旋霍尔效应能够奏效;它是自旋电子学的新应用,这在某些方面丰富了业已不断丰富的、可用于收集磁自旋的自旋电子效应和器件工具箱。接下来,需要精确测量其效率并尝试进行一些合适应用,以测定未来对有机半导体来说,逆自旋霍尔效应究竟有多有用。

“我们研究的目标是展示如何以一种‘直接’的方式来测量逆自旋霍尔效应,即在没有或只有很少简单的微波感应效应和其它信号存在的条件下,显示出很强、可直接观察到的逆自旋霍尔效应。”Boehme表示,“我们通过搭建设备和进行实验,将逆自旋霍尔效应的强度较之以前提高了100倍,实现了这一目标,同时,我们实现了对寄生效应的压制。因此现在我们的设备可以很容易地观察到这种效应。在不久的将来,我们(可能还有其它研究团体)将使用这一进展对该效应进行真正、详细的研究。当然,这些研究的一部分将针对该效应到底能多有效地用于潜在技术应用这一问题。”

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图3:在犹他州立大学的物理实验室,当施加脉冲微波时,研究人员在几种有机半导体上展示了逆自旋霍尔效应,这可用于未来的电池、太阳能电池和移动电子设备。(资料来源:美国犹他州大学,Christoph Boehme)

因此,答案仍悬而未决,这些研究人员只是搞出了基准方法。这将由他们和其他人在未来的实验中,评估在未来应用中逆自旋霍尔效应的有效性。就个人而言,我希望这最终能解决来自通信塔的“微波过载”,也就是说不再使我们每个人自作自受,但如果必须选择,那我会赌小的片上应用,如用于未来超低功耗有机半导体的新的自旋电子器件。

研究人员证明了逆自旋霍尔效应可在三种有机半导体材料中奏效:PEDOT : PSS,以及在三种富铂有机聚合物中,有两种是π共轭聚合物,另一种是球形碳-60分子(巴克球),后者被证明最有效。全部细节,可参阅“Inverse Spin Hall Effect from pulsed Spin Current in Organic Semiconductors with Tunable Spin-Orbit Coupling”(《带可调自旋轨道耦合的有机半导体中的脉冲自旋流所引起的逆自旋霍尔效应》)一文。

该研究经费由美国国家科学基金会(NSF)和犹他州立大学的NSF材料研究科学与工程中心提供。本文得到了(犹他州立大学)研究助理教授Dali Sun和Hans Malissa、博士后研究人员Kipp van Schooten和Chuang Zhang、博士生Marzieh Kavand和Matthew Groesbeck的帮助。

《电子技术设计》2016年8月刊版权所有,谢绝转载。

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