未來的電池、太陽能電池和手機設(shè)計將受益于磁電式能量采集

　　隨著手機信號塔、移動設(shè)備、WiFi、藍牙、5G等等產(chǎn)生的微波越來越多地充斥著我們的世界，自然而然，科學(xué)家們將探討將這些電磁波轉(zhuǎn)化成能量的方法。猶他州立大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新方法：在有機半導(dǎo)體內(nèi)將微波能量轉(zhuǎn)化為電能。

　　在實驗室中，他們已經(jīng)證明了一種被稱為逆自旋霍爾效應(yīng)的新效應(yīng)，它能利用微波作為磁自旋的源，將磁自旋流轉(zhuǎn)換成電流。這聽起來像是繞遠了，因為手機天線已經(jīng)將微波轉(zhuǎn)化為電能，但他們演示的重點并非預(yù)演某個應(yīng)用，而是為了證明逆自旋霍爾效應(yīng)確實可以被利用和控制，從而成為21世紀(jì)的一個工具。他們預(yù)測這在電池、太陽能電池和移動設(shè)備上會派上用場。

　　“我們從該設(shè)備收集的能量是通過微波輻射的方式輸送進該設(shè)備的——在這個意義上，能量轉(zhuǎn)換與天線的機理一樣，即將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電流，”猶他州立大學(xué)教授Christoph Boehme在接收筆者獨家專訪時表示，“不同的是，我們設(shè)備作用的物理機制完全不同。轉(zhuǎn)換不是通過感應(yīng)完成的，而是借助逆自旋霍爾效應(yīng)。事實上，要澄清我們看到的不是諸如電感應(yīng)（例如簡單的天線效應(yīng)）的寄生效應(yīng)，或其它已知的現(xiàn)象，是這一研究的目的。”

　　圖1：猶他州立大學(xué)物理學(xué)家Valy Vardeny和Christoph Boehme演示了可將磁自旋轉(zhuǎn)換成電流的多種有機半導(dǎo)體，它們可用于未來的太陽能電池、電池和移動電子設(shè)備。

　　逆霍爾效應(yīng)最早是由前蘇聯(lián)科學(xué)家在1984年證明的，最近又在半導(dǎo)體領(lǐng)域（2006年）和鐵磁性金屬領(lǐng)域（2013年）進行了研究。其概念相對簡單：正如傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線周圍的原子會引發(fā)磁自旋，且自旋方向取決于電流方向，同樣，若能引發(fā)導(dǎo)線周圍的原子發(fā)生磁自旋，則導(dǎo)線內(nèi)也該會有電流。

　　然而，概念雖簡單，可所需的演示儀器要復(fù)雜——為此，微波粉墨登場。逆自旋霍爾效應(yīng)的早期實驗使用的是恒定微波，這與微波爐內(nèi)的一樣。不幸的是，微波將儀器的其余部分烤焦了，實驗很快夭折，沒什么成績。他們的失敗也給收集環(huán)境中的雜散微波留下陰影，雖然Boehme和他的合作伙伴Valy Vardeny研究員教授都認為該想法有可取之處。

　　“這是個很好的想法，但它是否會成為逆自旋霍爾效應(yīng)的應(yīng)用還有待證明。” Boehme在回答筆者利用雜散微波發(fā)電的建議時表示。

　　然而，由于他在實驗中使用脈沖微波消除了過熱問題，他可能只是出于禮貌。另外，他建議的應(yīng)用聽起來比我的更可行。

　　圖2：構(gòu)建在一小片玻璃條（頂部）上的器件演示了使用逆自旋霍爾效應(yīng)可將磁自旋流轉(zhuǎn)換為電流。關(guān)鍵是一個夾芯狀裝置（底部），其中外部磁場和微波脈沖在鐵磁體上產(chǎn)生自旋波，然后自旋波在嵌入到有機半導(dǎo)體（聚合物）內(nèi)的銅電極上轉(zhuǎn)換為電流。

　　“我們從其它自旋電子學(xué)應(yīng)用（如硬盤讀磁頭）了解到，自旋電子學(xué)可填補磁場到電流轉(zhuǎn)換——其中簡單感應(yīng)不再有效，也即感應(yīng)變得很不敏感、很低效（就硬盤來說，讀取頭太小時就如此）——的技術(shù)空白。”Boehme表示，“可以想象以非常低的成本，像柔性襯底（本質(zhì)上是箔片）上的單片納米尺寸薄膜器件一樣，用有機半導(dǎo)體層做出逆自旋霍爾效應(yīng)器件，所以現(xiàn)在還無法預(yù)測應(yīng)用范圍。如果效率允許（我們現(xiàn)在還不知道?。?，那么也可以想象，可以用它來收集周圍環(huán)境的微波輻射，并將其中的能量用于其它應(yīng)用?！?/p>

　　一言以蔽之：逆自旋霍爾效應(yīng)能夠奏效；它是自旋電子學(xué)的新應(yīng)用，這在某些方面豐富了業(yè)已不斷豐富的、可用于收集磁自旋的自旋電子效應(yīng)和器件工具箱。接下來，需要精確測量其效率并嘗試進行一些合適應(yīng)用，以測定未來對有機半導(dǎo)體來說，逆自旋霍爾效應(yīng)究竟有多有用。

　　“我們研究的目標(biāo)是展示如何以一種‘直接’的方式來測量逆自旋霍爾效應(yīng)，即在沒有或只有很少簡單的微波感應(yīng)效應(yīng)和其它信號存在的條件下，顯示出很強、可直接觀察到的逆自旋霍爾效應(yīng)?！盉oehme表示，“我們通過搭建設(shè)備和進行實驗，將逆自旋霍爾效應(yīng)的強度較之以前提高了100倍，實現(xiàn)了這一目標(biāo)，同時，我們實現(xiàn)了對寄生效應(yīng)的壓制。因此現(xiàn)在我們的設(shè)備可以很容易地觀察到這種效應(yīng)。在不久的將來，我們（可能還有其它研究團體）將使用這一進展對該效應(yīng)進行真正、詳細的研究。當(dāng)然，這些研究的一部分將針對該效應(yīng)到底能多有效地用于潛在技術(shù)應(yīng)用這一問題?！?/p>

　　圖3：在猶他州立大學(xué)的物理實驗室，當(dāng)施加脈沖微波時，研究人員在幾種有機半導(dǎo)體上展示了逆自旋霍爾效應(yīng)，這可用于未來的電池、太陽能電池和移動電子設(shè)備。

　　因此，答案仍懸而未決，這些研究人員只是搞出了基準(zhǔn)方法。這將由他們和其他人在未來的實驗中，評估在未來應(yīng)用中逆自旋霍爾效應(yīng)的有效性。就個人而言，我希望這最終能解決來自通信塔的“微波過載”，也就是說不再使我們每個人自作自受，但如果必須選擇，那我會賭小的片上應(yīng)用，如用于未來超低功耗有機半導(dǎo)體的新的自旋電子器件。

　　研究人員證明了逆自旋霍爾效應(yīng)可在三種有機半導(dǎo)體材料中奏效：PEDOT ： PSS，以及在三種富鉑有機聚合物中，有兩種是π共軛聚合物，另一種是球形碳-60分子（巴克球），后者被證明最有效。全部細節(jié)，可參閱“Inverse Spin Hall Effect from pulsed Spin Current in Organic Semiconductors with Tunable Spin-Orbit Coupling”（《帶可調(diào)自旋軌道耦合的有機半導(dǎo)體中的脈沖自旋流所引起的逆自旋霍爾效應(yīng)》）一文。

　　該研究經(jīng)費由美國國家科學(xué)基金會（NSF）和猶他州立大學(xué)的NSF材料研究科學(xué)與工程中心提供。本文得到了（猶他州立大學(xué)）研究助理教授Dali Sun和Hans Malissa、博士后研究人員Kipp van Schooten和Chuang Zhang、博士生Marzieh Kavand和Matthew Groesbeck的幫助。