半導體領域重磅Nature!

一、【科學背景】

半導體是現代社會的核心，因為它們允許操縱電荷，但在室溫下控制半導體結構中的自旋仍然是難以捉摸的。然而，對自旋自由度的控制是許多商業產品的基礎，最顯著的是磁存儲器，這是通過在鐵磁體和普通金屬之間形成異質結來實現的，從而產生例如巨磁阻效應和隧穿磁阻效應。在室溫且無磁場條件下，半導體結構中的自旋積累是實現更廣泛的光電功能的關鍵。由于半導體界面自旋注入固有的低效率，目前的研究受到極大的阻礙。

二、【創新成果】

基于以上難題，美國國家可再生能源實驗室Matthew C. Beard教授團隊在Nature發表了題為“Room-temperature spin injection across a chiral perovskite/III–V interface”的論文，報道了在室溫下，無需外加磁場條件下，通過手性鹵化物鈣鈦礦/III-V半導體界面實現自旋積累的突破性研究。具體的，本研究通過手性鈣鈦礦/III-V界面注入自旋極化的載流子，在標準半導體III-V (Al_xGa_1?x)_0.5In_0.5P多量子阱LED中實現自旋積累。通過發射偏振度高達15±4%的圓偏振光來檢測多量子阱中的自旋積累。通過截面掃描開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和截面TEM等對界面進行了表征，顯示了純凈的半導體/半導體界面，且費米能級能夠達到平衡。這項研究表明，手性鈣鈦礦半導體可以將發展良好的半導體平臺轉變為也可以控制自旋的平臺。?

研究人員制作了c-HP/半導體自旋注入接口，將自旋極化空穴注入(Al_0.32Ga_0.68)_0.5In_0.5P多量子阱(MQW) LED結構。觀察到的自旋積累是通過直接形成c-HP/半導體界面與III-V半導體實現的。

圖1 ?LED原理圖和界面特性 ? 2024 Springer Nature

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圖2 ?(R/S-MBA)₂PbI₄/(Al_xGa_1?x)_0.5In_0.5P自旋LED的CP-EL發射 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?能帶排列和LED運行 ? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

綜上，本研究成功實現了室溫下無需外加磁場的手性鈣鈦礦半導體與III-V半導體的直接接觸，并且該手性鈣鈦礦半導體在器件堆疊中表現得像另一種半導體。因此，c-HP的集成將現有的商業相關III-V LED從控制光和電荷相互轉換的傳統LED半導體結構轉變為現在也控制自旋到光的結構。研究方法產生了一種在沒有外部磁場的室溫下工作的功能性自旋基半導體結構。高自旋注入效率是c-HP/III-V界面的結果，其中TEM、XPS和KPFM表示直接的半導體/半導體界面，這允許載流子平衡和有效的自旋注入。本研究為開發新型自旋電子學設備和集成光電子學平臺奠定了基礎。

原文詳情：Room-temperature spin injection across a chiral perovskite/ III-V interface (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4)

本文由賽恩斯供稿。