这篇Science，会发光！

翟亚新，吕海鹏

2021-04-16

第一作者：Young-Hoon Kim，翟亚新，吕海鹏

通讯作者：J. M. Luther, M. C. Beard

通讯单位：美国国家可再生能源实验室（NREL）

研究要点：

1. 通过手性诱发自旋选择（CISS）效应产生了自旋极化的载流子，并在室温下实现了不需要外加磁场和铁磁接触的自旋发光二极管（spin-LED）。

2. 器件中的CISS层是由二维手性金属卤化物钙钛矿材料组成的。

3. 该器件实现了±2.6%的圆偏振电致发光。

研究背景

随着科技的发展，发光二极管（LED）已经彻底改变了显示器行业。LED使用电流产生可见光，而不会产生传统灯泡中多余的热量（称为电致发光），这一突破给人们带来了高清的屏幕视觉体验。近年来人们开始研发一种新型的LED--自旋发光二极管（spin-LED）。Spin-LED通过电子自旋传送信息，处理能力相比于传统电子设备大大增强，因此具有多方面的应用前景，包括基于量子的光学计算和信息处理，3D显示，生物编码和层析成像^[1]。

商业自旋电子学的最大障碍之一是设定电子自旋。在传统的光电材料中，控制自旋和电荷通常需要外加电场和磁场。比如在目前的spin-LED中，载流子由外加电场注入，并在外加磁场或铁磁接触下产生自旋极化，从而实现圆偏振的电致发光。因此这种器件同时需要半导体器件，铁磁材料或磁场设备，这不仅造价昂贵而且限制了器件的小型化。

成果简介

有鉴于此，美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory（NREL）） J.M.Luther和M.C. Beard课题组通过手性诱发自旋选择（CISS）效应来控制载流子自旋，设计研发了一种无需外加磁场，无需铁磁材料，无需低温环境的自旋发光二极管^[1]。该器件基于二维手性金属卤化物钙钛矿材料，实现了超过80%的自旋极化电流和±2.6%的圆偏振电致发光，具有广阔的商业应用前景。

图1. 基于CISS效应的spin-LED中的自旋极化电荷注入和圆偏振电致发光原理。

手性材料及圆偏振电致发光原理

人们采用手性来描述特定类型的几何形状。人的手就是一个典型的例子：右手和左手布置成彼此的镜子，但无论方向如何它们都不会完美对齐。一些化合物（例如DNA，糖和手性金属卤化物钙钛矿）的原子呈手性对称排列。“左手”取向的手性系统可以允许电子以“上”自旋传输，但阻止电子以“下”自旋，反之亦然。如果通过这些化合物传输电子，那么电子自旋将与材料的手性对齐，因此手性材料本身便是一种自旋过滤器。

目前存在的其他自旋过滤器，要么需要磁场，要么只能在较小的区域内操纵电子。在这个工作中研究团队采用了易制备的二维手性金属卤化物钙钛矿材料，可以使材料在很大面积上都具有相同手性，从而使注入的电子产生相同的自旋极化。该团队将其作为spin-LED器件的空穴传输层来注入自旋极化的空穴，使得电子空穴复合后发出圆偏振光。因此这种spin-LED不需要外加磁场，不需要昂贵的铁磁体，也不需要极低的温度，具有广阔的商业应用前景。

基于二维钙钛矿的手性诱导自旋选择（CISS）效应

研究者首先通过含可磁化探针原子力显微镜测量证实，二维手性铅碘钙钛矿薄膜能够对不同自旋的载流子进行有效筛选，即通过手性诱导自旋极化（CISS）效应实现室温下的自旋极化。同时，改变手性钙钛矿的手性可以实现对载流子自旋极化的高效调控（即左旋/右旋分别产生自旋向上/自旋向下的载流子）。实验结果表明通过二维手性金属卤化物钙钛矿薄膜可产生超过80%的自旋极化电流（B和C）。基于此，他们进一步提出通过二维手性钙钛矿作为LED器件的空穴传输层来注入自旋极化的空穴，使得电子空穴复合后发出圆偏振光，从而在不通过磁场及铁磁材料的条件下实现室温自旋LED。

图2：自旋极化载流子注入和手性二维钙钛矿spin-LED的电学及光学性质表征。

圆偏振电致发光

自旋LED的结构和原理如图一所示。研究者首先使用CISS / CsPbI₃ NC异质结构实现了自旋LED的圆偏振电致发光，效率为±0.25%。接下来他们引入CISS / CsPbBr₃结构，图三（A），并在偏压下生成了混合相CsPb(Br_0.1I_0.9)₃纳米晶，将自旋LED的圆偏振电致发光率提高到了2.6%。

图3：自旋发光二极管结构和原理图及其圆偏振电致发光谱。

自旋弛豫时间

为进一步探究自旋LED的发光机理，该团队测量了器件的瞬态吸收光谱（图四A）。他们发现在电压驱动的卤化物交换后，约80％的纳米晶仍保留为CsPbBr₃，只有约20％转化为CsPb(Br_0.1I_0.9)₃， 而圆偏振电致发光主要是由后者决定的，图三C。通过研究了自旋弛豫时间随载流子密度的变化，研究者发现当n₀减小至1.7×10¹⁵ cm^-3时，CsPb(Br_0.1I_0.9)₃的自旋弛豫时间逐渐增加，直至〜14 ps，而CsPbI₃ 则稳定在〜4 ps（图四，B-D）。他们通过低载流子密度下的弛豫时间和载流子寿命，预估了两种材料的圆偏振电致发光率，与实验测得的数值符合完好。

图4：钙钛矿纳米晶中的瞬态响应与自旋弛豫动力学

小结

在这个研究中，该团队利用CISS机制将二维钙钛矿材料中的空穴载流子进行自旋极化，并通过抑制发光层中的自旋弛豫过程，在CISS层积累自旋极化的载流子，从而实现了圆偏振的电致发光。

参考文献：

[1] Y.-H. Kim†, Y. Zhai †, H. Lu †, X. Pan, E. A. Gaulding, S. P. Harvey, L. M. Wheeler, J.J. Berry, Z. Valy Vardeny, M. C. Beard, J. M. Luther, "Chiral Induced SpinSelectivity enabling a room temperature Spin-LED", Science, 371,1129(2021).

https://science.sciencemag.org/content/371/6534/1129

[2] Y.-H. Kim, Y.Zhai, E. Gaulding, S. Habisreutinger, T. Moot, B. Rosales, H. Lu, A. Hazarika, R.Brunecky, L. M. Wheeler, J. Berry, M. C. Beard, J. Luther, “Strategies toAchieve High Circularly Polarized Luminescence from Colloidal Organic-InorganicHybrid Perovskite Nanocrystals”, ACS Nano, 14, 8816 (2020).

[3] H. Lu,J. Wang, C. Xiao, X. Pan, X. Chen, R. Brunecky, J. J.Berry, K. Zhu, M. C. Beard, and Z. Valy Vardeny, Sci. Adv. 5, eaay0571(2019).

[4] Y. Zhai, S. Baniya, C. Zhang, J. Li, P. M. Haney, C.-X. Sheng, E.Ehrenfreund, Z. V. Vardeny, “Giant Rashba-splitting in 2Dorganic-inorganic halide perovskites measured by transient spectroscopies”,Sci. Adv. 3(7), e1700704(2017).

作者简介

Dr. Young-Hoon Kim，美国国家可再生能源实验室（NREL）博士后研究员

毕业于韩国浦项理工大学（POSTECH），后于国立首尔大学（Soul National University）Tae-Woo Lee研究组从事博士后研究，现为美国国家可再生能源实验室（NREL）J. M. Luther课题组博士后研究员。

研究方向包括：自旋光电器件，手性钙钛矿材料，量子点发光二极管。

翟亚新（Yaxin Zhai），湖南师范大学“潇湘学者”特聘教授

毕业于美国犹他大学物理与天文学院，曾荣获2017年国家自费留学生奖学金。后于美国国家可再生能源实验室（NREL）M.C. Beard课题组从事博士后研究，并任美国能源部有机无机杂化钙钛矿半导体研究中心（CHOISE）博士后主席。已在有机-无机杂化钙钛矿材料的光电响应，自旋电子学和手性材料的自旋极化等方面做出了一系列有代表性研究成果。2021年入选湖南师范大学“潇湘学者”特聘教授，就职于湖南师大物理与电子科学学院。

研究方向：超快光谱学，时间分辨太赫兹光谱学，太赫兹自旋电子学，新型光电材料。

课题组招聘博士后，博士研究生及科研助理。

联系方式：yaxin.zhai.hunnu@gmail.com

吕海鹏（Haipeng Lu），香港科技大学化学系助理教授

2012年在南京大学化学系获得学士学位，并于2017年在美国南加州大学化学系获得博士学位。之后在美国可再生能源国家实验室做博士后研究，并于2019年获得了美国化学会（ACS）颁发的物理化学Young Investigator Awards。在无机功能材料及机理，尤其在可控合成、有机/无机界面超快动力学机理、手性分子及自旋调控等研究领域作出了诸多颇具特色的研究成果。

课题组主页：www.lightchargespin.com

Joseph M. Luther博士，美国国家可再生能源实验室（NREL）高级研究员

毕业于科罗拉多大学，曾于Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) 从事博士后研究，现任美国可再生能源国家实验室（NREL）高级研究员，担任美国能源部多个项目的主要/合作负责人。目前课题组主要从事新型光伏半导体材料的合成与制备以及新型高效光电器件的研发。

Matthew C. Beard博士，美国可再生能源国家实验室Senior Research Fellow；美国能源部有机无机半导体能源中心（CHOISE）主任

毕业于耶鲁大学，现为美国可再生能源国家实验室Senior Research Fellow，同时任有机无机半导体能源中心（CHOISE）的主任，该中心是由美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心。Matt Beard博士获得一系列国家和国际奖项，包括2012年被推选为美国物理学会会士，2014年获得美国可再生能源实验室杰出研究的主任奖，2019年英国皇家化学会Chemical Dynamics Award，同时被推选为英国皇家化学会会士等等。当前主要研究方向是太阳光转换体系中的超快光谱动力学，开发非接触式光谱探针研究载流子动力学和电荷传输以及研发新型量子材料用于新能源转化技术。