钙钛矿 有机-无机杂化钙钛矿中的自旋输运和磁场效应

原创 长光所Light中心 中国光学

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近日，北京交通大学王恺、潘睿亨等人在《发光学报》杂志“特邀综述”专栏中发表了题为“”的文章。该综述文章重点介绍了自旋极化电子在钙钛矿自旋阀器件中的电学输运、铁磁-钙钛矿自旋界面、以及激发态下的磁场效应，展望了钙钛矿自旋光电子学的未来发展状况，希望其对从事本领域研究的学者有所借鉴。

01

引言

有机-无机杂化钙钛矿是一种集半导体-铁极化-自旋极化于一体的多功能光电材料，在光伏、发光、探测器等领域有着广泛的研究。一些钙钛矿材料中含有铅、碘等重金属元素，两者都具有比较强的自旋轨道耦合效应，可以直接形成三重简并自旋态能级，使得钙钛矿在激发态具有很强的自旋依赖性，这种效应对自旋注入和调控具有重要影响。与有机分子材料相比，钙钛矿具有更高的载流子密度和迁移率，可以促进自旋注入。一些钙钛矿材料还具有明显的结构反转不对称性，可以产生Rashba自旋-轨道耦合效应。即使在没有磁场的情况下，也会发生与自旋态相关的简并能级分裂，将自旋简并能带分裂为k-空两个自旋极化子能带，偏离布里渊区中心点。这种效应会抑制电子和空空穴的有效质量，使电荷和自旋传输更快。此外，钙钛矿基光伏和发光器件在室温下可以产生明显的磁场效应，如磁控光电流、磁控光致发光、磁控电致发光和磁控电介质。溶液法制备的非磁性钙钛矿可以在界面与铁磁材料相互作用，进而在界面形成与自旋相关的界面态密度。因此，拓展钙钛矿在自旋光电子学中的研究，阐明内部自旋物理和光物理过程就显得尤为重要。

02

自旋输运和磁场效应

在钙钛矿自旋输运过程中，自旋极化电子被当作信息载体，自旋通过铁磁电极被注入到钙钛矿中，其中一个典型例子就是钙钛矿自旋阀和所示)。钙钛矿作为传输层夹杂在两个铁磁电极之间，这两个铁磁电极具有不同的磁矫顽力，外加磁场可以改变铁磁电极的磁化方向，在扫场过程中可出现高电阻态和低电阻态，分别对应自旋反平行和平行和所示)，二者之间的差值比例被称作磁电阻率，该值是衡量磁存储的重要指标之一。此外，相关实验也表明铁磁-钙钛矿自旋界面的形成对自旋注入和磁电阻具有显着影响。在钙钛矿光伏或发光器件中，其激发态下光电流、光致发光、电致发光与电子-空穴的自旋态息息相关，例如单线态与三线态比例，以及二者之间的交换能大小等，深入探索钙钛矿自旋激发态，将其与材料结构相关联，从材料合成和器件制备上调控内在电子结构能够有效地调控和放大光伏、发光效应。

图1。和是具有垂直结构的钙钛矿自旋阀器件的示意图，图中的箭头表示铁磁磁化方向。是典型的磁阻信号图。这是钙钛矿自旋阀磁电阻实验测试的真实信号。

03

观点

有机-无机杂化钙钛矿作为新型光电材料，在自旋光电子学领域仍面临一些重要的科学问题。

3.1

制备钙钛矿纳米自旋光电子器件

与大面积光伏和发光器件相比，低温退火和溶液法制备钙钛矿纳米自旋光电器件存在一定挑战，需要在材料加工、制备工艺、器件设计和界面优化等方面进行创新和突破，使未来的钙钛矿集成光电器件成为可能。

3.2

材料结构和内在自旋物理过程

钙钛矿材料种类繁多、性质各异，但该类材料的光电性质较易调节；因此，充分挖掘内在材料属性，将其与自旋激发态下的光物理过程相关联，阐明内在机理，对进一步合成新型钙钛矿自旋光电子材料尤为重要。

3.3

进一步丰富钙钛矿自旋光电子学

目前对钙钛矿自旋极化电子输运的研究主要集中在三维钙钛矿材料上，而对二维、准二维和手性钙钛矿材料的报道较少。因此，探索这类材料可以进一步丰富钙钛矿自旋光电子学的研究。

通讯作者简介

王锴副教授

王锴，《发光》杂志第一届青年编委，博士，副教授，硕士生导师。2015年9月获得荷兰特温特大学物理学博士学位，2015年10月加入北京交通大学理学院光电技术研究所。

主要致力于有机半导体光电材料与器件物理、有机自旋光电子学方面的研究，研究内容主要包括：自旋极化电子在有机自旋电子器件中的注入、输运、操控、以及探测；铁磁/有机材料自旋界面；有机发光和光伏体系中与自旋态、光-电诱导极化、能量相关的物理过程。

已发表SCI学术论文40余篇，其中第一作者和第一通讯作者发表SCI学术论文20余篇，包括《物理学进展》《物理评论b》《先进材料界面》《solar rrl》《Acs应用材料与界面》《物理化学杂志c》《Acs应用能源材料》《科学报告》《材料化学杂志c》等。，并邀请相关作品担任杂志封面；受邀写英语书章节。

多次参加国际性学术会议并做口头报告，包括2014年日本第五届国际有机半导体自旋会议、2015年西班牙第五届分子磁学会议、2016年国际光电子与微电子技术及应用研讨会。

得到了国家自然科学基金青年基金、人才基金和中央高校科研业务经费的支持。作为第一参与人，参与国家自然科学基金重点项目和一般项目，作为项目骨干成员参与国家自然科学基金集成项目。

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