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基于无机材料的微电子学、自旋电子学、集成电路等科学领域已经取得了举世瞩目的成就，将传统电子学带入量子时代；另一方面，有机材料的多样性、柔韧性、成本低等得天独厚的优势被广泛应用于太阳能电池、柔性智能穿戴、生物传感器等方面。因此，能否将有机材料与无机芯片相结合，利用分子多样性去干预和调控固体器件的量子效应？由于有机物与无机物与生俱来的巨大物理性质差异，其完美结合必将遭遇瓶颈，界面失配会导致调控的精确性、多样性和高效性受到限制。针对上述科学问题，北京工业大学理学部王晓蕾课题组近期取得了一系列重要研究进展。
金属-绝缘体相变是体现电子关联的典型宏观表现，在各种外界的调控手段下通常伴随着杂质缺陷、晶格畸变、界面应力、热扰动等干扰因素，不容易分析单个物理因素引起的其他物理性能的变化。物理性能与载流子浓度密切相关的代表性材料体系是(Ga,Mn)As，然而在这种体系中进行掺杂是非常困难的，传统的电场调控也面临栅压工艺制备困难和容易引入界面应力等因素。本工作采用半导体表面的分子自组装新技术，通过理论计算和实验测量证明在“分子/半导体”界面形成了抗散射、低损耗的电荷输运通道，实现了有机界面对磁性半导体(Ga,Mn)As中载流子浓度的大范围调控（1019 ~ 1021 cm-3），从而诱导出纯粹、灵活、可逆、无损伤的金属-绝缘体相变，同时引起对应的磁性状态的巨大变化。
图1 (a) 有机分子吸附在半导体器件表面实现等效的n型和p型掺杂的示意图；(b)“分子/半导体”界面的能级结构图，表明不同分子诱导费米能级之差从而引起电荷转移的过程；(c) 温度依赖的电阻率测量结果证明了不同有机分子吸附可以大幅调控(Ga,Mn)As薄膜的电学输运特性，从而实现金属-绝缘体相变。
该工作与中科院半导体所赵建华研究员和邓惠雄研究员、松山湖实验室袁冶副研究员、电子科技大学刘涛教授等合作完成，以“Exploring the Metal–Insulator Transition in (Ga,Mn)As by Molecular
Absorption”为题于2022年10月20日发表在Nano Letters上，王晓蕾教授为第一作者和共同通讯作者。https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03203由于半导体的载流子浓度可大范围调控，并且其中的自旋扩散长度和自旋寿命都远远高于金属体系，所以半导体材料在操控电子自旋自由度方面有着巨大的优势，有望把存储和逻辑功能融合在一块芯片上。然而，优良的接触界面和高效率的自旋注入是半导体自旋电子学发展的关键瓶颈，获得更高效率且容易制作界面的新材料始终是本领域的热门课题。有机分子在半导体表面的自组装工艺使具有高自旋极化度的手性分子向半导体的自旋注入水到渠成，解决了全固态结构中界面自旋散射的问题，实现了一种新型、高效的半导体自旋流注入技术。本工作以小综述的形式总结了近年来全球学者对手性分子自旋过滤效应的主要研究成果，重点介绍了王晓蕾教授与中科院半导体所、美国佛罗里达州立大学等合作者团队对“手性分子/半导体”结构自旋注入特性研究的系列工作，以“Chiral-Molecule-Based Spintronic Devices”为题于2022年7月14日发表在Small 上。
图2 (a) 半导体表面的化学处理工艺和有机分子通过硫醇键实现自组装的过程示意图；(b) 利用纳米点样仪沉积任意形状的自组装分子，实现磁性半导体薄膜的自旋调控；(c) 手性分子/(Ga,Mn)As结构的自旋过滤器件示意图；(d) 磁阻效应测量证明手性分子产生的自旋极化电流被顺利注入到了磁性半导体中。
该论文的第一作者是北京工业大学理学部研究生尚紫璇，合作者是加州大学洛杉矶分校的柳天寒博士，王晓蕾教授为通讯作者。https://doi.org/10.1002/smll.202203015现代信息技术的完整实现不仅需要存储信息，还需要有逻辑编译功能。有机分子与无机器件的结合必然带来新型的分子界面功能器件，成为信息领域的研究热点和重要发展方向。在前期的有机分子自组装和手性分子自旋过滤特性的基础上，本工作通过电学实验测量直接证明了在室温下具有左手螺旋结构的多肽分子的自旋注入效率为80%以上，远高于大多数的无机材料，并且无需任何磁性元素和外加磁场。进一步的，该工作设计了以手性多肽单层作为自旋注入电极的新型非局域自旋阀结构，并采用仿真软件实现了可重构的多种计算功能，证明了该自旋逻辑器件具有超高速、低功耗和制备简单等优势，为实现高效的自旋芯片提供了一种新的解决方案。
图3 (a) 基于手性分子自旋过滤效应的可重构逻辑器件示意图；(b) “异或”逻辑操作的输入-输出曲线；(c) “异或”操作实现过程的微磁学模拟；(d) 采用调制电压Vr实现的可重构逻辑功能。该工作与北京航空航天大学的张悦教授和赵巍胜教授、北京理工大学的王学云教授和洪家旺教授等合作完成，以“Realization of high spin injection through chiral molecules and its
application in logic device”为题于2022年9月28日发表在IEEE
Electron Device Letters上，北京工业大学理学部的杨倩倩副教授和北京航空航天大学的博士生张志仲为共同第一作者，王晓蕾教授和张悦教授为共同通讯作者。https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9905542
