半导体领域重磅Nature!

一、【科学背景】

半导体是现代社会的核心，因为它们允许操纵电荷，但在室温下控制半导体结构中的自旋仍然是难以捉摸的。然而，对自旋自由度的控制是许多商业产品的基础，最显著的是磁存储器，这是通过在铁磁体和普通金属之间形成异质结来实现的，从而产生例如巨磁阻效应和隧穿磁阻效应。在室温且无磁场条件下，半导体结构中的自旋积累是实现更广泛的光电功能的关键。由于半导体界面自旋注入固有的低效率，目前的研究受到极大的阻碍。

二、【创新成果】

基于以上难题，美国国家可再生能源实验室Matthew C. Beard教授团队在Nature发表了题为“Room-temperature spin injection across a chiral perovskite/III–V interface”的论文，报道了在室温下，无需外加磁场条件下，通过手性卤化物钙钛矿/III-V半导体界面实现自旋积累的突破性研究。具体的，本研究通过手性钙钛矿/III-V界面注入自旋极化的载流子，在标准半导体III-V (Al_xGa_1−x)_0.5In_0.5P多量子阱LED中实现自旋积累。通过发射偏振度高达15±4%的圆偏振光来检测多量子阱中的自旋积累。通过截面扫描开尔文探针力显微镜（KPFM）和截面TEM等对界面进行了表征，显示了纯净的半导体/半导体界面，且费米能级能够达到平衡。这项研究表明，手性钙钛矿半导体可以将发展良好的半导体平台转变为也可以控制自旋的平台。

研究人员制作了c-HP/半导体自旋注入接口，将自旋极化空穴注入(Al_0.32Ga_0.68)_0.5In_0.5P多量子阱(MQW) LED结构。观察到的自旋积累是通过直接形成c-HP/半导体界面与III-V半导体实现的。

图1 LED原理图和界面特性© 2024 Springer Nature

图2(R/S-MBA)₂PbI₄/(Al_xGa_1−x)_0.5In_0.5P自旋LED的CP-EL发射© 2024 Springer Nature

图3能带排列和LED运行© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究成功实现了室温下无需外加磁场的手性钙钛矿半导体与III-V半导体的直接接触，并且该手性钙钛矿半导体在器件堆叠中表现得像另一种半导体。因此，c-HP的集成将现有的商业相关III-V LED从控制光和电荷相互转换的传统LED半导体结构转变为现在也控制自旋到光的结构。研究方法产生了一种在没有外部磁场的室温下工作的功能性自旋基半导体结构。高自旋注入效率是c-HP/III-V界面的结果，其中TEM、XPS和KPFM表示直接的半导体/半导体界面，这允许载流子平衡和有效的自旋注入。本研究为开发新型自旋电子学设备和集成光电子学平台奠定了基础。

原文详情：Room-temperature spin injection across a chiral perovskite/ III-V interface(Nature2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4)

本文由赛恩斯供稿。