Um polímero orgânico imprimível que se monta em estruturas quirais quando impresso permitiu aos pesquisadores medir de forma confiável a quantidade de carga produzida na conversão de rotação para carga dentro de um material spintrônico à temperatura ambiente. As qualidades ajustáveis ​​e a versatilidade do polímero o tornam desejável não apenas para aplicações eletrônicas imprimíveis, menos dispendiosas e ecologicamente corretas, mas também para uso na compreensão da quiralidade e das interações de spin de forma mais geral.



Dispositivos spintrônicos são dispositivos eletrônicos que aproveitam o spin de um elétron, em vez de sua carga, para criar uma corrente com eficiência energética usada para armazenamento de dados, comunicação e computação. Os materiais quirais referem-se a materiais que não podem ser impostos à sua imagem espelhada – pense nas suas mãos esquerda e direita, por exemplo. Se você colocar a mão esquerda sobre a direita, as posições dos dedos serão invertidas. Isso é quiralidade.

A quiralidade em materiais spintrônicos permite que os projetistas controlem a direção do spin dentro do material, conhecido como efeito de "seletividade de spin induzida por quiralidade (CISS)". O efeito CISS ocorre quando a corrente de carga flui ao longo do eixo quiral em um material quiral, produzindo spin – ou conversão de carga para spin – sem a necessidade de elementos ferromagnéticos. A conversão de carga para rotação é necessária para armazenamento de memória em dispositivos de computação.

"Sabemos que a conversão de carga para rotação acionada por CISS funciona eficientemente em semicondutores quirais, mas queremos saber por quê", diz Dali Sun, professor associado de física, membro do Laboratório de Eletrônica Orgânica e de Carbono (ORaCEL) na Carolina do Norte. Universidade Estadual e co-autor correspondente do trabalho. "E uma maneira fácil de compreender a mecânica intrigante de tal processo é revertê-la, isto é, observar a conversão de rotação em carga através do efeito CISS inverso."

Sun trabalhou com Ying Diao, professor associado de engenharia química e biomolecular na Universidade de Illinois Urbana-Champaign e co-autor correspondente do trabalho, que desenvolveu processos de impressão para montar polímeros orgânicos conjugados em estruturas helicoidais quirais. O artigo, "Efeito de seletividade de spin induzido por quiralidade inversa em montagens quirais de polímeros conjugados com π", foi publicado em Nature Materials .

“Os materiais orgânicos podem transportar o spin por longas distâncias, mas não são bons para converter o spin em carga, o que é necessário para dispositivos spintrônicos”, diz Diao. "Ao tornar a estrutura deste material quiral, podemos aproveitá-lo para converter entre rotação e carga."

“O efeito CISS é criado colocando uma carga em um dispositivo spintrônico quiral, mas descobrir com que eficiência a carga é convertida em spin dentro do dispositivo é muito desafiador porque é difícil medir o spin produzido de forma quantitativa”, diz Sun. .

“O efeito de seletividade de spin induzido por quiralidade inversa, ou ICISS, onde você coloca o spin no dispositivo e mede a corrente resultante, não foi estudado em polímeros orgânicos”, diz Sun. "Mas é muito mais fácil medir a corrente do que a rotação. Então foi isso que fizemos."

Sun usou a excitação por microondas como uma técnica de bombeamento de spin para injetar spin puro no polímero orgânico e medir a corrente resultante.

Os pesquisadores descobriram que tempos de vida de spin de até nanossegundos eram alcançáveis ​​no polímero orgânico quiral à temperatura ambiente, em oposição aos tempos de vida de picossegundos em materiais spintrônicos tradicionais.

“A beleza deste material – entre outras coisas – é a sua sintonização”, diz Sun. "Podemos alterar a quiralidade, a condutividade e ver como isso afeta o spin ou a eficiência. Agora temos uma maneira de realmente obter insights sobre por que os dispositivos spintrônicos relacionados ao CISS funcionam, o que poderia nos ajudar a projetar dispositivos melhores e mais eficientes."

“Os eletrônicos baseados em polímeros consomem muito menos energia para serem fabricados do que os eletrônicos atuais e são fáceis de escalar para produção”, diz Diao. "Como os semicondutores poliméricos podem ser impressos - eles podem ser impressos da mesma forma que os jornais - eles seriam ideais para aplicações portáteis, flexíveis e extensíveis, desde células solares até novas formas de computadores."

Mais informações: "Efeito de seletividade de spin induzido por quiralidade inversa em montagens quirais de polímeros conjugados com π", Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01838-8
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade Estadual da Carolina do Norte