实验室马於光教授团队：揭示有机铁磁半导体中聚集结构调控自旋耦合机制

有机铁磁半导体兼具电荷输运与长程自旋有序，是低功耗自旋电子器件的重要候选。然而，纯有机体系长期面临居里温度低、饱和磁化强度小及电荷输运不足等难题，其核心在于分子聚集结构与分子间自旋耦合关系尚不清晰，难以同时实现强铁磁耦合与有序电荷传输。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室马於光教授团队系统总结了近年来针对稠环酰亚胺自由基磁性半导体的研究，揭示聚集结构调控分子间自旋耦合的关键机制，并建立多尺度“结构-自旋-功能”框架，为高性能纯有机铁磁半导体设计提供新思路。

团队首先通过离子化诱导重构，在PDI和NDI自由基聚集体中实现室温铁磁性。PDI体系室温饱和磁化强度达1.2emu g⁻1、居里温度超过400 K，并表现出n型电荷输运。结合杂质分析、X射线磁圆二色谱和铁磁共振，团队证实磁性源于有机分子π电子自旋极化。

进一步研究表明，仅缩短π-π距离或旋转分子不足以稳定铁磁态，“扭转+滑移”的协同堆积才是抑制反铁磁交换、形成铁磁耦合的关键，并由此建立聚集结构调控自旋耦合的定量设计依据。理论研究还表明，这一规律可从NDI推广至PDI，并在多分子组装中产生协同增强效应。

 针对自由基生成与有序组装相耦合的加工瓶颈，团队进一步发展拓扑化学还原策略：先构筑有序中性分子薄膜，再原位生成自由基。所得PDI薄膜室温饱和磁化强度达10.5 emu g⁻1，约为理论上限的73%，电导率达1.05 S cm⁻1，并保持半导体特征；该策略也可推广至NDI体系。研究最终形成从分子、聚集到加工的多尺度设计框架。

图1. 通过调控分子聚集参数（包括分子间滑移、扭转以及π-π堆积距离）π自由基可以由弱关联自旋态转变为具有强SOMO-SOMO相互作用的耦合构型。这种由聚集结构调控的自旋耦合能够促成长程铁磁有序的形成，进而产生有机铁磁半导体。

相关研究成果以“Aggregation-Controlled SpinCoupling in Rylene Diimide-Based Ferromagnetic Semiconductors”为题发表在Accounts of MaterialsResearch上，其中通讯作者为马於光教授，蒋庆林副研究员，甘汉麟博士后。博士生朱亚诺和博士后甘汉麟为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省量子科学战略专项、广东省基础研究重大项目等科研项目的资助。