仪器情报，科学家首次揭示室温下自旋控制新途径！

【科学背景】

随着半导体在现代社会中的重要性不断增加，人们能够操控电荷的能力使得许多技术成为可能。然而，尽管半导体在电子设备中的广泛应用，控制半导体结构中的自旋（spin）仍然是一个挑战。自旋作为电子的一个额外自由度，其控制对于许多商业产品尤其是磁性存储器至关重要。目前，通过形成铁磁体和普通金属之间的异质结构来实现自旋控制已经取得了一定进展，例如巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应。然而，利用半导体，特别是半导体/铁磁体界面的方法在应用上受到限制。

手性诱导自旋选择性（CISS）描述了通过定向手性势场的电荷载流子的自旋依赖传输。在这种情况下，自旋方向与手性螺旋度平行，即手性结构决定了自旋取向。CISS在自组装的手性分子层中最为常见，但是它们与常见半导体材料的集成受到限制。

为了解决这些问题，国国家可再生能源实验室Matthew C. Beard教授团队探索了一类新兴的卤化钙钛矿半导体家族，即手性卤化钙钛矿（c-HP）。这些半导体通过引入手性有机铵阳离子，例如R/S-MBA，而具有手性。这些有机分子形成高度有序的双层结构，嵌入到共享角位的金属卤化物八面体片层之间。由于这些半导体的手性特性，它们有望在半导体平台上实现自旋控制。

本研究展示了如何将手性卤化钙钛矿半导体成功地集成到标准III-V族发光二极管（LED）结构中，从而将其转变为自旋LED。通过直接的c-HP/III-V半导体界面，自旋极化载流子被注入到传统的III-V LED结构中，并通过角动量守恒原理，将自旋积累转换为圆偏光的形式进行检测。这一成果不仅展示了手性卤化钙钛矿半导体在半导体平台上的潜力，还为现代光电子学提供了新的技术路径。

【科学亮点】

（1）实验首次展示了通过手性卤化钙钛矿（c-HP）/III-V半导体界面实现自旋注入的重要性。这一研究突破了传统半导体/铁磁体界面限制，开辟了在室温下控制自旋的新途径。

（2）实验通过几种关键技术手段进行了详尽的表征，包括X射线光电子能谱、扫描凯尔文探针原子力显微镜和透射电子显微镜成像。这些分析表明，c-HP与III-V半导体形成的界面清洁、费米能级能够实现平衡，为自旋控制提供了理想的平台。

（3）实验结果显示，c-HP能够有效地注入自旋极化载流子到传统的III-V LED结构中，并且通过自旋极化载流子在III-V中的积累，成功实现了通过圆偏光发射检测自旋积累的目标。这为将现代光电子技术转型为自旋控制平台提供了实质性的证据。

【科学图文】

图1 | 发光二极管light-emitting diode，LED示意图和界面表征。

图2 | (R/S-MBA)2PbI4/(AlxGa1−x)0.5In0.5P自旋LED的圆偏振电致发光（CP-EL）发射。

图3 | 波段对准和LED操作。

【科学启迪】

本研究展示了将手性卤化钙钛矿（c-HP）与传统半导体直接接触的可能性，并将其整合到III-V族发光二极管(LED)结构中，实现了从传统LED的光电荷互转控制到控制自旋到光的转变。这一创新不仅在室温下无需外部磁场即实现了自旋控制的功能性半导体结构，还展示了c-HP/III-V界面高效的自旋注入效率。

通过详细的材料表征技术（TEM、XPS、KPFM），作者验证了c-HP半导体与III-V半导体之间形成的直接、清洁的半导体/半导体界面，这为载流子的均衡和自旋注入提供了可靠的基础。这一研究开辟了新型自旋注入器的发展路径，能够为各种自旋功能的实现提供支持，例如自旋电子学和自旋逻辑电路。因此，c-HP半导体的成功整合为现代光电子学领域带来了重要的科学启迪，促进了半导体技术的进步，并可能推动新一代自旋驱动光电子器件的商业应用和发展。

原文详情：Hautzinger, M.P., Pan, X., Hayden, S.C. et al. Room-temperature spin injection across a chiral perovskite/III–V interface. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07560-4