有机-无机杂化钙钛矿的自旋电子学:集成光电子器件的奇迹基础

在早期研究阶段,钙钛矿是纯无机材料。直到1978年,一种使用甲胺的有机-无机杂化钙钛矿才首次出现,这种材料因其优良的性能而受到广泛关注。有机-无机杂化钙钛矿结合了其有机和无机成分的优点,包括有机材料的结构多样性,柔韧性和可加工性,以及无机材料的高导电性,热稳定性,可调谐带结构,和独特的磁性和介电性,进一步促进了有机-无机杂化钙钛矿的发展和应用。有机-无机杂化钙钛矿作为一种新型光电半导体材料,具有许多吸引人的特性,包括长载流子寿命,高漂移率,波长可调谐光吸收能力和低陷阱密度等。因此有机-无机杂化钙钛矿已成为用于传统光电器件有前景的候选材料。基于有机-无机杂化钙钛矿的传统光伏器件,发光二极管,光电探测器等相较于传统半导体材料,在性能上具有显著的优势。

最近才建立起来的有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学研究领域,旨在充分利用电子自旋的特性,以提供一种新的可精确操控的自由度。大量级Rashba和Dreselhaus劈裂,强斯塔克效应以及独特磁光效应等相关效应最近都在有机-无机杂化钙钛矿中被发现。这些新的自旋相关效应表明,有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学有望应用于下一代集成光电子器件。虽然迄今为止已有许多关于有机-无机杂化钙钛矿的工作,但还没有一篇相关的专题综述,全面概述了有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学及其在集成光电子器件应用中的基本原理、研究现状和发展趋势。

北京大学物理学院龚旗煌院士和胡小永教授课题组综述了有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学这个新兴的研究领域以及其在集成光电子器件中的应用中取得的进展,旨在提供一个完善的框架来描述这个蓬勃发展的领域,以刺激对有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学的进一步研究。首先,这项工作详细总结了有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学的基本理论,从晶体及能带结构特性到自旋轨道耦合,这些理论产生了一系列决定了器件性能的新的自旋相关的物理效应。还介绍了不同种维度及结构的有机-无机杂化钙钛矿体系,并就具体的光电子器件讨论了各体系的优缺点。工作重点讨论了有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学在集成光电子器件中的应用,包括新型光伏器件、发光器件、光电探测器、自旋传输器件、自旋阀、量子计算器和自旋滤波器等。工作最后指出,要完全理解有机-无机杂化钙钛矿中各种新的自旋相关的光学效应,需进一步分析光子和电子的自旋状态如何发生相互作用和演化,这将是影响未来基于有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学的集成光电子器件性能发展的关键因素。

研究者相信,此项工作将会进一步刺激有机-无机杂化钙钛矿自旋电子学这个全新的研究领域的发展,并为下一代片上集成光电子器件提供一个新的发展方向。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900350)上。