有機-無機雜化鈣鈦礦中的自旋輸運和磁場效應

2020-11-23 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

推廣位（非商務）

近日，北京交通大學王愷(副教授)、潘睿亨(博士生)等人在《發光學報》雜誌「特邀綜述」專欄中發表了題為「」的文章。該綜述文章重點介紹了自旋極化電子在鈣鈦礦自旋閥器件中的電學輸運、鐵磁-鈣鈦礦自旋界面、以及激發態下的磁場效應，展望了鈣鈦礦自旋光電子學的未來發展狀況，希望其對從事本領域研究的學者有所借鑑。

01

引言

有機-無機雜化鈣鈦礦(Organic-Inorganic Hybrid Perovskites)是一類集半導體-鐵電極化-自旋極化為一體的多功能光電材料，它們在光伏、發光、探測器等領域已被廣泛地研究。部分鈣鈦礦材料中含有重金屬元素如鉛、碘，二者均具有相對較強的自旋軌道耦合效應，可直接形成三重簡併自旋態能級（J=3/2，J=1/2，J=1/2），使鈣鈦礦在激發態下具有較強的自旋依賴性，同時該效應對自旋注入和調控具有重要影響。相比於有機分子材料，鈣鈦礦具有較高的載流子密度和遷移率，這能夠促進自旋注入。部分鈣鈦礦材料還具有明顯的結構反演不對稱性，能夠產生Rashba自旋軌道耦合效應，即使在沒有磁場的情況下也會產生與自旋態相關的簡併能級劈裂，使自旋簡併能帶在k-空間中劈裂成兩個自旋極化子能帶並偏離布裡淵區中心點，該效應會抑制電子和空穴的有效質量，使得電荷和自旋具有較快的輸運速度。此外，基於鈣鈦礦的光伏和發光器件能夠在室溫下產生較為明顯的磁場效應，例如磁控光電流、磁控光致發光、磁控電致發光、磁控介電。經溶液法製備的非磁性鈣鈦礦可與鐵磁材料在界面處相互作用，進而在界面處形成與自旋相關的界面態密度。由此可見，拓展鈣鈦礦在自旋光電子學上的研究、闡明內在自旋物理和光物理過程將尤為重要。

02

自旋輸運和磁場效應

在鈣鈦礦自旋輸運過程中，自旋極化電子被當作信息載體，自旋通過鐵磁電極被注入到鈣鈦礦中，其中一個典型例子就是鈣鈦礦自旋閥(如圖1(a)和(b)所示)。鈣鈦礦作為傳輸層夾雜在兩個鐵磁電極之間，這兩個鐵磁電極具有不同的磁矯頑力，外加磁場可以改變鐵磁電極的磁化方向，在掃場過程中可出現高電阻態和低電阻態，分別對應自旋反平行和平行(如圖1(c)和(d)所示)，二者之間的差值比例被稱作磁電阻率，該值是衡量磁存儲的重要指標之一。此外，相關實驗也表明鐵磁-鈣鈦礦自旋界面的形成對自旋注入和磁電阻具有顯著影響。在鈣鈦礦光伏或發光器件中，其激發態下光電流、光致發光、電致發光與電子-空穴的自旋態息息相關，例如單線態(亮態)與三線態(暗態)比例，以及二者之間的交換能大小等，深入探索鈣鈦礦自旋激發態，將其與材料結構相關聯，從材料合成和器件製備上調控內在電子結構能夠有效地調控和放大光伏、發光效應。

圖1. (a)和(b)為豎直結構的鈣鈦礦自旋閥器件示意圖，圖中的箭頭代表鐵磁磁化方向。(c)是典型磁電阻信號示意圖。(d)為鈣鈦礦自旋閥磁電阻的實驗測試真實信號。

03

展望

有機-無機雜化鈣鈦礦作為新型光電材料，在自旋光電子學領域仍面臨一些重要的科學問題。

3.1

製備鈣鈦礦納米自旋光電子器件

相比於宏觀大面積的光伏和發光器件，通過低溫退火、溶液法來製備鈣鈦礦納米自旋光電器件具有一定的挑戰，這需要在材料處理、製備工藝、器件設計、界面優化上有所創新和突破，使未來鈣鈦礦集成光電子器件變得可行。

3.2

材料構型和內在自旋物理過程

鈣鈦礦材料種類繁多、性質各異，但該類材料的光電性質較易調節；因此，充分挖掘內在材料屬性，將其與自旋激發態下的光物理過程相關聯，闡明內在機理，對進一步合成新型鈣鈦礦自旋光電子材料尤為重要。

3.3

進一步豐富鈣鈦礦自旋光電子學

目前關於鈣鈦礦自旋極化電子的輸運研究主要集中在三維鈣鈦礦材料中，但對基於二維、準二維、手性鈣鈦礦材料的相關報導較少。因而，探索這類材料可進一步豐富鈣鈦礦自旋光電子學研究。

通訊作者簡介

王愷 副教授

王愷，《發光學報》第一屆青年編委，博士，副教授，碩士研究生導師。2015年9月於荷蘭特文特大學獲得物理學博士學位，2015年10月入職北京交通大學理學院光電子技術研究所。

主要致力於有機半導體光電材料與器件物理、有機自旋光電子學方面的研究，研究內容主要包括：自旋極化電子在有機自旋電子器件中的注入、輸運、操控、以及探測；鐵磁/有機材料自旋界面；有機發光和光伏體系中與自旋態、光-電誘導極化、能量相關的物理過程。

已發表SCI學術論文40餘篇，其中以第一作者和第一通訊作者發表SCI學術論文20餘篇，包括Advances in Physics, Physical Review B, Advanced Materials Interfaces, Solar RRL,ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Physical Chemistry C, ACS Applied Energy Materials, Scientific Reports, Journal of Material Chemistry C等，相關工作受邀作為雜誌封面；受邀撰寫英文版書籍章節一章（Laser Based Fabrication of Graphene, Advances in Graphene Science, DOI:10.5772/55821,2013）。

多次參加國際性學術會議並做口頭報告，包括2014年日本第五屆國際有機半導體自旋會議（5th International Meeting on Spins in Organic Semiconductors）、2015年西班牙第五屆分子磁學會議（5th European Conference on Molecular Magnetism）、2016年國際光電子與微電子技術及應用研討會（International Conference on Optoelectronics and Microelectronics Technology）。

已獲得國家自然科學基金青年基金、人才基金和中央高校科研業務費資助。作為第一參加人參加國家自然科學基金重點項目和面上項目，作為項目骨幹成員參加國家自然科學基金集成項目。

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原標題：《有機-無機雜化鈣鈦礦中的自旋輸運和磁場效應》

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