美國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)控制電子自旋的新型LED

結(jié)合III-V族半導(dǎo)體和手性鹵化物鈣鈦礦，美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新的自旋控制LED，控制電子自旋在室溫下發(fā)射偏振光，可能徹底改變光電領(lǐng)域。

當(dāng)今多數(shù)光電設(shè)備都是基于控制電荷，但多數(shù)人忘記了另一個(gè)也能控制以提高光電設(shè)備性能效率的參數(shù)：電子自旋。

自旋控制LED是一種利用自旋電子學(xué)原理操控LED（發(fā)光二極管）發(fā)光特性的技術(shù)，通過(guò)改變電子自旋狀態(tài)來(lái)調(diào)整光的發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)更高效光源或顯示成果。

2021年，美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）研究人員發(fā)布過(guò)一篇論文，解釋如何使用兩個(gè)鈣鈦礦層創(chuàng)建阻止電子向錯(cuò)誤方向“旋轉(zhuǎn)”的過(guò)濾器，制造出一種新型偏振發(fā)光二極管控制電子自旋，該二極管能在室溫下發(fā)射自旋控制的光子，不需經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)或鐵磁接觸，而當(dāng)時(shí)研究取得的突破還包括消除零下低溫需求，提高數(shù)據(jù)處理速度并減少耗電量。

最近，研究團(tuán)隊(duì)再成功集成III-V半導(dǎo)體光電結(jié)構(gòu)與手性鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體，或者說(shuō)將現(xiàn)有商業(yè)化LED改造成也能控制電子自旋的LED。

提高光電轉(zhuǎn)換效率

手性是指材料結(jié)構(gòu)不能與其鏡像疊加，比如“左手”取向的手性系統(tǒng)能允許“向上”自旋的電子傳輸，但會(huì)阻止“向下”自旋的電子，反之亦然。由于手性結(jié)構(gòu)可調(diào)控光的偏振性，利用手性鈣鈦礦，電子自旋被轉(zhuǎn)換為發(fā)射光的自旋或偏振，研究人員便能將LED轉(zhuǎn)變?yōu)樵谑覝厍覠o(wú)磁場(chǎng)情況下發(fā)射偏振光的LED。

先前測(cè)得的光偏振度達(dá)約2.6%，現(xiàn)在，借由添加由元素周期表第三列、第五列材料制成的III-V族半導(dǎo)體（如砷化鎵、磷化銦），團(tuán)隊(duì)將極化率提高至約15%，偏振度可直接測(cè)量LED中的自旋累積。

從LED顯示器、太陽(yáng)能電池到激光光學(xué)組件，新研究將為許多現(xiàn)代光電設(shè)備提供新轉(zhuǎn)型途徑，結(jié)合手性鈣鈦礦的光吸收特性與III-V族半導(dǎo)體高性能，將提升整體設(shè)備光電轉(zhuǎn)換效率。

此外，手性鈣鈦礦制備成本相對(duì)較低，與III-V族半導(dǎo)體結(jié)合可能降低整體設(shè)備生產(chǎn)成本。

新論文發(fā)表在《自然》（Nature）期刊。