有机半导体材料具有微弱自旋-轨道耦合和超精细相互作用，可作为有前途的自旋极化传输介质，因此寻找新型有机自旋电子材料、 探索 其自旋极化传输过程和机制具有重要意义。此前这方面研究大多通过制备有机自旋阀器件来测量携带着自旋极化的电子传输，但存在铁磁/半导体界面的电导失配等问题，严重制约了对有机半导体自旋传输特性定量深入研究。近年来，自旋泵浦激发和探测纯自旋流（不伴随净电荷电流）由于能克服界面电导失配问题，逐渐成为 探索 半导体材料本征自旋传输性质的有力手段。
强磁场中心张发培课题组与研究员童伟合作，采用铁磁共振(FMR)自旋泵浦技术 结合 逆自旋Hall效应（ISHE）测量，研究了新型聚合物半导体PBDTTT-C-T的自旋极化传输特性。他们通过设计一种适合低噪声电压测量的样品架，在NiFe/聚合物/Pt三明治结构中探测到清晰的ISHE信号，通过测量ISHE电压随PBDTTT层厚度的变化，观察到PBDTTT层中纯自旋流传输和长的自旋驰豫时间。
令人吃惊的是，研究人员首次利用半导体/绝缘体聚合物共混薄膜作为自旋极化传输介质，在低含量PBDTTT与绝缘的聚苯乙烯(PS)形成的共混薄膜中，仍能测量到很强的ISHE电压信号，并发现共混薄膜的自旋扩散长度和载流子迁移率相对于“纯”PBDTTT薄膜有显著的提高。他们通过综合性薄膜微结构测量发现，PBDTTT骨架链bundle在绝缘的PS基体中形成相互连通的纳米细丝网络，构成 贯穿 薄膜的快速电荷传导通路，可以解释共混薄膜更高的电荷和自旋传输能力。此外，还发现PBDTTT的自旋扩散长度具有弱的温度依存性，与基于自旋-轨道耦合的自旋弛豫机制一致。
这些结果清楚地表明，有机半导体的薄膜结构特性，如分子取向和堆积方式以及薄膜形貌等，对其自旋传输性能有关键性的影响。该工作对理解有机半导体自旋极化传输微观过程和机制有重要意义，并为寻找低成本、高性能有机自旋电子材料提供新途径。
该项研究获得国家自然科学基金项目以及国家重点研发项目的支持。
文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b16602
图(a) Py/PBDTTT-C-T/Pt三明治结构器件上ISHE效应的产生，(b) 该器件所测的总电压谱（随磁场变化）及其退卷积。其中VLorentz对应于ISHE电压，(c) ISHE电压分别随PBDTTT-C-T介质层和PBDTTT/PS共混膜介质层厚度的变化。由此推算出聚合物薄膜不同的自旋扩散长度ls。
个人简介： Edward H. Sargent，加拿大多伦多大学副校长、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，是多伦多大学电子与计算机工程系教授。他是加拿大纳米技术领域的首席科学家，是胶体量子点光探测领域的开拓者，也是量子点PN结太阳能电池的发明者和光电转换效率的世界纪录的保持者，并通过所领导团队的努力，每年都在刷新纪录。迄今为止，已在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇团队已经发表超过300篇论文，论文被引用超过20000次，H因子72。
团队合照
接下来，我列举了Edward H. Sargent教授近期发表在Nature/Science系列期刊的工作！希望借此机会向大佬学习一下！
通过将二氧化碳电化学还原为化学原料，如乙烯，可同时达到二氧化碳减排和生产可再生能源的目的，目前，Cu是CO2RR的主要电催化剂。然而，迄今为止所达到的能源效率和生产率(目前的密度)仍然低于以工业生产乙烯所需的值。
鉴于此，卡内基梅隆大学的Zachary Ulissi、多伦多大学的Edward H. Sargent等人通过密度泛函理论计算结合主动机器学习来识别，描述了Cu-Al电催化剂能有效地将二氧化碳还原为乙烯，具有迄今为止所报道的最高的法拉第效率。与纯铜相比，在电流密度为400mA/cm2下Cu-Al电催化剂的法拉第效率超过了80%，以及在150mA/cm2下，在其阴极乙烯的能量转换效率则达到了~55%。理论计算表明，铜铝合金具有多个活性位点、表面定向和最佳CO结合能，有利于高效的、高选择性地还原CO2。
此外，原位X射线吸收光谱表明，铜和铝能够形成良好的铜配位环境，从而增强C-C二聚作用。这些发现说明了计算和机器学习在指导多金属系统的实验 探索 方面的价值，这些系统超越了传统的单金属电催化剂的局限性。
Accelerated discovery of CO2 electrocatalysts using active machine learning, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2242-8
电解二氧化碳电还原反应(CO2RR)可用于绿色生产乙醇，然而，该反应的法拉第效率目前仍然不高，特别是在总电流密度超过10mA cm−2下。
鉴于此，多伦多大学的Edward H. Sargent团队报道了一类催化剂，其产乙醇的法拉第效率高达52.1%，阴极能量转化效率为31%。作者发现通过抑制中间体HOCCH*的脱氧作用，可以降低乙烯的选择性，促进乙醇生产。密度泛函理论(DFT)计算表明，由于封闭的N-C层具有很强的供电子能力，在Cu表面涂覆一层氮掺杂碳(N-C)可以促进C-C耦合，抑制HOCCH*中碳氧键的断裂，从而提高CO2RR中乙醇的选择性。
Efficient electrically powered CO2-to-ethanol via suppression of deoxygenation, https://doi.org/10.1038/s41560-020-0607-8
堆叠具有较小带隙的太阳能电池形成双结膜，为克服单结光伏电池的Shockley-Queisser极限提供了可能。随着溶液处理钙钛矿的快速发展，有望将钙钛矿的单结效率提高>20％。然而，这一工艺仍未实现与行业相关的纹理晶体硅太阳能电池进行整体集成。
来自多伦多大学的Edward H. Sargent 和阿卜杜拉国王 科技 大学的Stefaan De Wolf团队，报道了将溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合，进行集成双叠层电池的方法。为解决微米级钙钛矿中电荷收集的难点，作者将硅锥体底部的耗尽宽度提高了三倍。此外，通过在钙钛矿表面固定一种自限型钝化剂(1-丁硫醇)，增加了扩散长度且进一步抑制了相偏析。这些多方位的结构改善，使钙钛矿—硅串联太阳能电池的整体效率达到了25.7％。在85°C下进行400小时的热稳定性测试，以及在40°C、在最大功率点下工作400小时后，发现其性能衰减可忽略不计。
Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite on textured crystalline silicon, https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135
在这里，作者首先讨论了四类分子强化策略：①分子加成修饰的多相催化剂、②有机金属络合物催化剂、③网状催化剂和④无金属聚合物催化剂。作者介绍了目前在分子策略方面的挑战，并描述了电催化CO2RR产多碳产品的前景。这些策略为电催化CO2RR提供了潜在的途径，以解决催化剂活性、选择性和稳定性的挑战，进一步发展CO2RR。
Molecular enhancement of heterogeneous CO2 reduction, https://doi/10.1038/s41563-020-0610-2
目前通过优化钙钛矿的组成经过组合优化，在最先进的钙钛矿太阳能电池中通常含有六种成分(AxByC1−x−yPbXzY3−z)。关于每个组成部分的精确作用仍然存在许多不清晰，如何正确理解和掌握钙钛矿材料中不同组分对晶体结构、性能的影响关系，对于制备新型的高性能钙钛矿材料而言具有重要的指导意义。
鉴于此，多伦多大学的Edward H. Sargent与麻省理工学院的William A. Tisdale等人利用瞬态光致发光显微镜(TPLM)，并结合理论计算，探究了钙钛矿材料中组分—结构—性能之间的关系。研究表明，单晶钙钛矿材料内部载流子的扩散率与结构组成无关；而对于多晶钙钛矿，不同的成分对载体扩散起着至关重要的作用。与CsMAFA型钙钛矿相比，不含MA的CsFA型钙钛矿载流子扩散率要低一个数量级。
元素组成研究表明，CsFA颗粒呈级配组成。在垂直载流子输运和表面电位研究中可以看到，CsFA型钙钛矿由于其非均匀结晶，从而引起晶粒的元素分布不一致，形成了不利于载流子扩散的“壳核结构”。而掺入MA可以有效改善颗粒成分的均匀性，在CsMAFA薄膜中产生了高的扩散系数。
Multi-cation perovskites prevent carrier reflection from grain surfaces, https://doi /10.1038/s41563-019-0602-2
电解二氧化碳还原(CO2RR)转化为有价值的燃料和原料，为这类温室气体的利用提供了一条有吸引力的途径。然而，在这类电解装置内，往往是由有限的气体通过液体电解质扩散到催化剂的表面，电解效率仍然不高。
鉴于此，多伦多大学的David Sinton和Edward H. Sargent等人提出了一种催化剂：离聚物本体异质结结构(CIBH)，可用于分离气体、以及离子和电子的传输。CIBH由金属和具有疏水和亲水功能的超细离子层组成，可将气体和离子的输运范围从数十纳米扩展到微米级。采用这种设计策略，作者实现了在7 M KOH电解液中，以铜为催化剂进行电还原CO2，在阴极法拉第效率为45%下，产乙烯的偏电流密度高达1.3A cm-2。
CO2 electrolysis to multicarbon products at activities greater than 1 A cm−2, https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661
手性材料在推动生物标记、手性分析和检测、对映异构体选择性分离、偏振相关光子学和光电子学应用等领域的发展具有重要意义。一维半导体的区域选择性磁化可以实现室温下的各向异性磁性，以及自旋极化——这是自旋电子学和量子计算技术所必需的特性。
鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士团队与国家纳米科学中心唐智勇研究员课题组、多伦多大学Edward Sargent教授团队等人利用局域磁场调控电偶极矩与磁偶极矩之间的相互作用，成功合成了一类新型手性无机纳米材料。
利用这一策略，作者将具有不同晶格、化学成分和磁性能的材料，即一个磁性成分(Fe3O4)和一系列半导体纳米棒结合在一起，在特定的位置吸收紫外线和可见光谱。由此产生的异质纳米棒表现出由特定位置磁场诱导的光学活性。本文提出的区域选择性磁化策略为设计手性和自旋电子学的光学活性纳米材料提供了一条途径。
Regioselective magnetization in semiconducting nanorods, https://doi.org/10.1038/s41565-019-0606-8
电催化CO2还原反应(CO2RR)为温室气体的利用、化学燃料的生产提供了一种可持续的、碳中性的方法。然而，从CO2RR高选择性地生产C2产品(例如乙烯)仍然是一个挑战。
鉴于此，多伦多大学Edward H. Sargent教授、加州理工学院Theodor Agapie教授、Jonas C. Peters教授等人提出了一种分子调控策略，用有机分子使电催化剂表面功能化，用于稳定反应中间产物，使CO2RR高选择性地产乙烯。
通过电化学、 *** 作/原位光谱和计算研究，研究了通过芳基吡啶的电二聚作用衍生的分子库对Cu的影响。结果发现，粘附分子提高了CO中间体的稳定性，有利于进一步还原成乙烯。在中性介质的液流电池中，在偏电流密度为230 mA cm-2下，电催化CO2RR产乙烯的法拉第效率高达72%。
Molecular tuning of CO2-to-ethylene conversion, https://doi/10.1038/s41586-019-1782-2
探索自旋晶体管
The Quest for the Spin Transistor
■Glenn Zorpette
微电子研究人员研究自旋至少已有20年历史了。事实上，他们的发现已经为硬盘驱动器带来了革命，从1998年起硬盘已经采用基于自旋的机制来实现更大的容量。在未来三年里，Motorola公司和IBM公司有望再进一步，推出第一款利用自旋特性的商用半导体芯片，一种称为M（意指磁性）RAM的新型随机存储器。MRAM速度快且是非易失性的，有望在美国每年106亿美元的闪存市场上占有相当的份额。如果工程师们可将成本降到足够低，MRAM甚至最终会侵入到每年350亿美元的RAM市场。
自旋方面的权威人士称存储器应用仅仅是自旋技术应用的开始。他们已将目标瞄准逻辑应用，这主要是受到过去两三年中获得的实验结果的鼓舞，实验显示这一自旋新技术与现有基于电荷机制的半导体电子学器件的制造材料和方法有非常好的兼容性。2000年2月份，美国国防部高级研究项目机构宣布了一项持续五年，每年投入1500万美元的计划，致力于推进各种利用自旋的半导体材料和器件的研究。
亚原子世界的奇特性质
目前自旋研究的支持者们预见了一种全新的电子学形式，称为自旋电子学。自旋电子学器件将利用电子的自旋来控制电荷的移动。再进一步，研究人员甚至可成功地制造出利用自旋本身（而不需要进行电荷的移动）来存储和处理数据的器件。自旋电子学比传统电子学设备消耗更少的能源，因为改变自旋所需要的能量仅是推动电荷移动所需要能量的很小一部分。
自旋电子学的另一个优点是其非挥发性：当电源关闭后，自旋不会变化。自旋的特定性能以及描述它的量子理论还指出自旋所具有的其它神奇的可能性，如每秒可变化10亿次的逻辑门功能（与、或、非等等）；可直接利用偏振光或电压信号进行工作的自旋电子学器件；可同时处于两种不同状态的存储器单元。加利福尼亚州立大学领导自旋电子学和量子计算中心的David D. Awschalom说："自旋提供了完全不同的功能。最令人激动的可能是那些我们还没有想到的。"
神秘的量子机制
自旋的奇特之处在于它直接涉及到做为现代物理学基础的量子理论的核心。于20世纪初发展起来的量子理论是非常精密的理论，其基本概念是在亚原子水平上，能量的交换必须以一定的最小量为单位，即是量子化的。
狄拉克于1920年代晚期预见了自旋的存在。在其获得诺贝尔奖的工作中，他统一了量子理论的能量和动量方程和爱因斯坦的狭义相对论。
自旋比较难于理解，这是因为在我们熟悉的宏观世界里缺少一个准确的对照物。其名字是按照宏观世界与之最接近的概念--旋转物体的角动量命名的。但通常的行星角动量，或旋转的球体，在停止运动后，角动量也消失了，因此是外在的。但自旋是一种粒子无法获得或失去的内在角动量。
事实上，角动量和自旋之间的类比不能走得再远了。粒子自旋并不是由于粒子的旋转，而电子也没有物理的维度，如半径。因此在经典的意义上说电子具有角动量严格来说是没有意义的。
最小的磁体
幸运的是，为了理解新近的进展，并不需要深入地了解自旋的特性。这时，通常用来使人们理解量子世界意义的不完善的类比还是很有用的，至少在自旋在磁性机制产生方面的作用而言是如此。
首先我们了解这样的事实，自旋使电子成为一个微小的磁体，具有南极和北极。小磁体南北极轴的朝向依赖于粒子的自旋轴。在普通物质的原子中，一些自旋轴指向"上"（相对于周围磁场而言）而同样数量的自旋指向"下"。粒子的自旋与磁矩相关，这可以想象为偏转电子自旋轴的方向柄。因此在普通物质中，向上的磁矩抵消了向下的，因此不能产生宏观磁性。
为了得到宏观磁性，需要铁磁材料，如铁，镍或钴。这些材料具有很多小的称为磁畴的区域，其中的电子自旋指向上或指向下的更多一些（至少在温度处于居里温度以下，热效应破坏磁性机制以前是这样）。通常这些磁畴是随机指向的，并且总自旋向上或向下的数量一样多。但适加的外部磁场可打破磁畴间的界限，使所有的磁畴沿着磁场的方向排列，即它们都指向同一方向。结果就形成永久磁体。
铁电材料是许多自旋电子器件的核心。利用电压差驱动电子流通过铁电材料，其中铁电材料起到自旋极化器的作用，将通过其中的电子自旋轴对齐，使它们都指向一个方向（上或下）。最基本和最重要的自旋电子器件之一是磁隧道结，其构造为两层铁电材料，中间用极薄的非导体层隔开（参见图）。该器件是由法国物理学家M. Julli re于1970年代中期展示的。
相对论晶体管
研究人员现在特别热衷探索的是类似传统晶体管（甚至可以产生增益）的基于自旋的器件。这方面的研究有几种不同的思路。最先提出的一种称为自旋场效应晶体管（FET）。最近的一种方法则将自旋与物理学家几十年来一起追求的一种器件--共振隧道晶体管，联系在一起。
1990年 Supriyo Datta 和 Biswajit A. Das（后来两人同时到了Purdue大学）在一篇后来发表于Applied Physics Letters杂志上的文章中提出了自旋FET的概念。两人建议的自旋FET器件，源极和漏极都是铁电材料，其中的电子自旋相同。可将电子注入源极，注入电子的自旋轴会取与源极和漏极同样的方向。这些自旋极化的电子将从源极以光速1%左右的速度贯穿到漏极。
这一速度很重要，因为以相对论速度移动的电子受某些效应的影响。其中一种效应是施加的电场看起来会象是一个磁场。因此施加在栅极上的电压会改变从源极向漏极移动的自旋极化的电子的自旋，从而使其自旋方面反转。因此电子的自旋会变得与漏极中的方向相反，从而使其不那么容易穿透到漏极。这样从源极进入漏极的电流会大大减小。
然而，在Datta和Das的文章发表11年之后，仍然没有人制造出可工作的自旋FET。
最近在德国柏林进行的工作可能会改变所有这些。去年7月Paul Drude大学的Klaus H. Ploog 及其同事研制的结果表明，他们采用一层在砷化镓上生长的铁薄膜来使注入GaAs的电子自旋实现极化。这一实验是在室温下进行的，其注入速度为2%，这一速度比同类实验要高。
NRL的Johnson说，这一工作"非常重要,它将为这一领域带来革命。从现
在起一年多以后，许多自旋FET研究人员都会利用铁来进行研究。"
另一类自旋晶体管制造方法则使用了称为共振隧穿的量子现象。利用此现象的器件将是共振隧穿二极管的扩展。此类器件的核心是一个极小的称为量子阱的区域，其中电子被限制于内。然后，在与量子阱能量相应的特定共振电压下，电子可以穿出封闭量子阱的势垒，术语称之?quot隧穿"。
通常，电子的自旋状态与隧道效应无关，因为自旋向上和向下的电子具有同样的能量。但采用不同的方法，研究人员可以设计出这样的器件，其中自旋向上和自旋向下的电子能级是不同的，因此存在两种不同的隧穿途径。这两种隧道可通过不同的电压控制；每种电压对应一种自旋状态。在一种电压下，可由自旋向下的电子产生一定的电流。在另一其它电压下，可由自旋向上的电子穿透量子阱的势垒产生一定的电流。
分开能级的一种方法是在量子阱的两边势垒中采用不同的材料，从而使得将电子限制在量子阱中的两端势垒能量在量子阱的两端不同。这一束缚势垒的差异对于移动中的电子来说可看成量子阱内存在两个区域，互相具有不同的磁场。这一非对称的磁场使得自旋向上和向下的状态具有不同的共振能级。
另一种分开能级的方法是简单地将器件置于磁场中。这一方法被由纽约Buffalo大学的研究小组所采用。
两个小组都还没有制造出可工作的器件，但此类器件的前景使得研究兴趣仍然很高。
希望之光
在这些研究人员进行上述器件研究的同时，他们还注意到另外一些科学家提出了全新一类实验器件。这一新兴的研究方法中采用的器件可以在半导体材料中建立或探测自旋极化的电子束，而不是采用铁电金属材料。在这些实验中，研究人员利用激光来克服将极化自旋的电子注入半导体中的困难。通过利用极化的激光光束照射普通的半导体材料，如砷化镓和硒化锌，他们得到了自旋极化的电子簇。
一些观察家认为依靠激光束非常不利。他们认为很难想象此类器件如何微型化到能够与目前的传统电子器件可比的程度，更不用说与传统电子器件在同一集成电路上协调工作了。而且，在某些半导体中，如GaAs，自旋极化只能在低温下持续存在。
在过去三年中，一系列突破性发现使这一领域成为一个活跃的学科。在Awschalom领导的实验室中取得了几项重要结果。他和其同事展示了自旋极化的电子簇保持他们极化的时间比预期的要长很多，可达到几百纳秒。Awschalom、Oestreich以及其它研究人员独立地制造出来自旋极化的电子簇，并在不失去电子极化的情况下使电子跨越半导体边界进行移动。
如果做不到这些，自旋在电子学方面根本没有发展潜力。请注意，实用的器件是通过改变自旋的方面进行工作的。这意味着自旋相干持续的时间至少要比改变自旋极化所需要的时间要长一些。而且，就象传统的电子器件一样，自旋电子器件，必须采用多层半导体材料制造，因此在不失去相干性的情况下，使自旋极化的电子簇通过半导体结就至关重要。
令人迷惑的进动 正如以前，Awschalom进行的实验中电子簇不仅自旋极化了，而且还显示出进动。进动发生在自旋极化的电子簇被置于一个磁场中时：磁场导致它们的自旋轴绕着磁场的方向旋转进动。旋转的频率和方面与磁场的强度以及进动发生时所处的材料性质有关。
这一合作小组利用圆极化光脉冲在GaAs中制造自旋相干的电子簇。然后施加磁场使电子进动，然后利用一个电压将进动的电子拉过半导体结，使其进入另一种半导体材料ZnSe中。研究人员发现，如果他们采用较低的电压将电子拉到ZnSe中，电子会在越过结后迅速具有ZnSe中的进动特征。然而，如果他们采用较高的电压将电子拉过结，电子就会保持其进动状态，就象仍然在GaAs中一样（见图2）。
"根据采用的电场不同，你可调节电流的行为。"Awschalom在一次采访中说，"这也使我们感到非常奇怪。"该小组在6月14日那期的Nature杂志上报告了其结果，等待全世界的理论学者解释这一现象。
这一合作中得到的其它结果更令人迷惑。研究人员进行了类似的实验，采用的是p型GaAs和n型ZnSe。N型材料依靠电子导电，而P型依靠空穴。由于采用两种不同的载流子类型的材料，在结附近存在一个电场。而且，这一电场已经足够强，以致可迅速将GaAs中的自旋相干电子簇拉到ZnSe中，并且其自旋相干性可保持数百纳秒。
这一结果在两个方面都令人鼓舞。正如Awschalom所说，"这表明您可制造由n型和p型材料构成的结器件，而自旋可顺利地通过两者的界面。"同样重要的是，试验表明，自旋可在不需要外加电场的情况下从一种半导体材料进入另一种半导体，这在商业器件中是不可能的。
此类器件至少还要数年才会出现。但即使是研究人员能够获得可在实验室条件下工作的自旋晶体管，仍然需要更大的突破才能使器件进入实用阶段。例如，器件需要圆极化的激光脉冲使其看起来不很方便实现，尽管Awschalom认为是有利的。他认为关键是光子将用于芯片间的通信，磁性单元用作存储器，而基于自旋的器件用来完成快速低功耗的逻辑功能。
这一切离现在都还太远，但这并不比在三极真空管占领导地位的日子里想象1GB DRAM来得更远。
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