发射圆偏振光的新型钙钛矿LED

第一层是半透明阳极，例如 ITO，它注入无极化的“空穴”，这是由于电子具有一定自旋的量子特征。第二层是二维手性杂化钙钛矿，它是一个活性自旋过滤器，由于手性分子具有螺旋性，只有具有与之匹配的特定自旋的空穴能够通过。第三层是发射极薄膜，由CsPbBr3等非手性无机钙钛矿组成。第四层和第五层是阴极，它向上和向下注入自旋电子。只有自旋向下的电子与自旋向上的注入空穴重新结合，才能产生圆偏振光，其螺旋度依赖于二维有机-无机层中手性分子的螺旋度。来源: 改编自: Kim，Y.H. et. al. Science (2021)

发光二极管(LEDs)已经彻底改变了显示器行业。LEDs利用电流产生可见光，其称为电致发光，它不像传统灯泡那样产生过多的热量。LED的突破性进展带来了令人瞠目结舌的、高清晰度的观看体验，我们也已经从屏幕上体会到了。现在，一群物理学家和化学家已经开发出了一种新型的 LED，它根据自旋电子学原理发光，而不需要磁场、磁性材料或低温条件; 这种新型LED的开发将显示技术提升到一个新的水平，实现了巨大突破。

   “生产 LEDs、电视和电脑显示器的公司不想与磁场和磁性材料打交道”。犹他州大学杰出的物理学和天文学教授 Valy Vardeny 说。“在这里，手性分子像士兵一样自动组装成立式阵列，主动自旋极化注入的电子紧接着会激发圆偏振光发射。这种LED不需要磁场和昂贵的铁磁体，也不需要极低的温度。这些都是该行业极力避免的。”

大多数光电设备，如LEDs，只能控制电荷和光，而不能控制电子的旋转。这些电子拥有微小的磁场，就像地球一样，它的磁极在相反的两端。它的自旋可看作是两极的方向，因此使用二进制信息进行定义——“上”的自旋是“1”，“下”的自旋是“0”。相比之下，传统的电子技术只能通过电子沿着导线来传递“1”和“0”的信息。然而，自旋电子器件可以利用这两种方法，这使得它在单位时间内会比传统电子器件处理更多的信息。

自旋电子学实现商用的一个障碍是控制电子自旋。目前，需要制造一个磁场来确定电子自旋的方向。来自犹他州大学和国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员开发了一种技术，它由称为手性二维金属卤化物钙钛矿的双层材料制成，可当作一种活性自旋过滤器。第一层为手性诱导自旋过滤器，其内自旋方向错误的电子会被阻止进入下一层。而通过第一层的电子进入第二层发光的钙钛矿层时，它们会激发该层产生光子，光子沿着螺旋形路径同时移动，进而产生圆偏振态的电致发光，与它传统波形的光不同。

光子沿着螺旋路径移动，产生圆偏振光。

自旋发光二极管内发光的钙钛矿层产生左旋或右旋偏振光，其方向取决于使它通过钙钛矿过滤器时电子的自旋方向。

来源: Dave3457 via Wikicommons

左旋，右旋分子

科学家们利用一种称为手性的特性来描述一种特殊的几何形状。就像人类的手，左右手被看做一对镜面体，但是无论方向如何，它们永远不会完美地排列在一起。一些化合物，如 DNA、糖类和手性金属卤化物钙钛矿，其原子排列为手性对称。以“左旋”为导向的手性系统可能只允许“上”旋的电子通过，但是会阻止“下”旋的电子，反之亦然。

 “如果使用这些化合物来传输电子，那么电子自旋方向就会与材料的手性特性一致,” Vardeny说。其他自旋过滤器的确存在，但它们要么需要某种磁场，要么只能操纵小范围内的电子。“我们使用的钙钛矿材料的奇妙之处就在于，它是二维的——你可以制备许多面积为1 cm²的平面，用它容纳10亿(10¹⁵)个立体分子，而让其中的100万个具有相同的手性。”

金属卤化物钙钛矿半导体目前主要应用于太阳能电池，因为它们在将光能转化为电能的效率很高。太阳能电池是所有半导体应用中最苛刻的应用之一，科学家们正在探究将其用于其它方面，包括自旋发光二极管。

 “我们正在研究金属卤化物钙钛矿的基本性质，这会促进我们发现光电板之外的新应用,”这篇新论文的合著者、NREL科学家Joseph Luther说。金属卤化物钙钛矿和一些有关的金属卤化物有机杂化物展示了一系列用于能量转化的新奇现象，因此被称作“最迷人的半导体”。

金属卤化物钙钛矿是第一个证明手性杂化器件可行的，但他们不是自旋发光二极管的唯一候选者。活性自旋滤光片其组成通常为，一层是有机手性材料，一层是像碘化铅等的无机金属卤化物，一另外还有其它有机层，无机层等。

 “干得太漂亮了！我非常希望有人能找到另一种2D的有机或无机层材料，可以做类似的事情。现阶段，它一定是存在的。我相信，随着时间的推移，有人会发现其它不同的二维手性材料，并且这种材料会更加高效。

这一概念证明，使用这些二维手性混合系统可以在没有磁铁的情况下控制自旋，由此，混合有机无机半导体能源研究中心高级研究员、主任Matthew Beard表示：“这对量子光学计算、生物编码和断层扫描等应用具有广泛的影响。”