近日，国家纳米科学中心孙向南团队在高性能分子自旋电子器件及其功能应用方面取得系列进展。针对分子自旋电子器件室温自旋输运效率低且难以有效调控，严重限制了其室温应用潜力这一领域内关键科学问题，研究团队提出了一种全新的空间限制策略，通过分子半导体的固态纳米结构设计，实现了室温自旋信号的大幅提升以及有效调控，并进一步演示了新型自旋电子功能应用。相关成果分别发表在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Today (Advanced Materials, 2026, 38, e73826; Advanced Functional Materials, 2026, e77507; Nano Today, 2026, 71, 103167)。

随着人工智能和大数据技术快速发展，传统电子器件面临功耗和信息处理效率等挑战，利用电子自旋进行信息传输与处理的自旋电子器件为新一代信息技术提供了重要发展方向。分子半导体具有结构高度可设计以及长室温自旋寿命等优势而极具室温自旋应用潜力。尽管过去二十年里领域内在分子设计和界面工程等方面取得了大量进展，分子器件的室温自旋输运效率仍普遍处于较低水平（约5%），且缺乏有效的调控手段，成为制约其功能应用的关键瓶颈。

针对这一问题，研究团队突破传统从分子和界面层面优化自旋输运的思路，创新性地提出空间限制策略：利用富勒烯衍生物与聚合物共混体系的液-液相分离，将连续的块体分子半导体薄膜构筑为分离的纳米柱状输运通道，限制自旋载流子的空间扩散来减少输运路径的复杂性，从而显著降低自旋弛豫，提升室温自旋输运效率。通过调控聚合物含量及分子量，研究团队进一步实现了对相分离纳米结构的精准调节，建立了纳米结构与自旋输运性能之间的构效关系。在实现高达20%的创新高自旋输运效率的基础上，研究团队进一步利用分子半导体垂直不对称固态纳米结构调控自旋输运过程，实现了显著的偏压调控不对称自旋响应。基于高效且可调控的室温自旋信号，研究团队进一步演示了分子自旋电子器件在自旋信息加密和真随机数生成方面的功能应用，推动分子自旋电子器件从“高性能自旋输运”向“可调控自旋功能”拓展。

该系列工作表明，固态纳米结构工程可以作为继分子设计和界面工程之后调控分子自旋输运的全新维度，为突破室温自旋输运瓶颈、实现自旋信号精准调控及发展自旋逻辑、加密存储和随机信息处理等功能器件提供新的研究思路。

国家纳米科学中心孙向南研究员与北京工业大学郑坤教授为上述系列论文通讯作者。以上工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院项目的支持。

图：基于相分离纳米结构输运通道分子自旋阀实现的新型自旋电子功能性，包括自旋信息加密和真随机数生成

    论文链接：

    工作1：https://doi.org/10.1002/adma.73826
    工作2：https://doi.org/10.1002/adfm.77507
    工作3：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2026.103167