由美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）科学家领导的研究工作取得了重大进展，有望推动一系列目前难以想象的光电子器件的问世。

研究团队此前的创新成果包括引入钙钛矿层，从而能够在不使用磁场或铁磁接触的情况下，在室温下制造出一种新型极化发光二极管（LED），该二极管能够发射自旋控制的光子。如今，他们更进一步，将III-V半导体光电子结构与手性卤化物钙钛矿半导体集成在一起。

换言之，他们成功地将一种现有的商业化LED转变为能够控制电子自旋的LED。这一成果为现代光电子学的变革提供了途径，光电子学是一个依赖于光控制的领域，包括LED、太阳能电池和电信激光器等设备。

NREL的高级研究员兼《自然》杂志文章《手性钙钛矿/III-V界面上的室温自旋注入》的共同作者马修·比尔德（Matthew Beard）表示：“这项研究的未来发展和应用前景令人遐想无限。”

比尔德还是能源用混合有机无机半导体研究中心（CHOISE）的主任。该研究汇集了来自NREL、科罗拉多矿业学院、犹他大学、科罗拉多大学博尔德分校以及法国洛林大学的广泛科学专业知识。

CHOISE的目标是理解并控制通过精心设计的化学系统实现的电荷、自旋和光之间的相互转换。特别是，该工作侧重于控制电子自旋，使其处于“向上”或“向下”的状态。

目前大多数光电子设备都依赖于电荷与光之间的转换。然而，自旋是电子的另一种属性，对自旋的控制能够带来众多新的效应和功能。研究人员在2021年发表了一篇论文，其中报告了他们如何通过使用两种不同的钙钛矿层来创建一个过滤器，该过滤器能够阻挡错误方向“旋转”的电子，从而实现对自旋的控制。

当时他们假设，如果能够成功地将这两种半导体结合起来，光电子学就能取得进展，并且他们随后也确实做到了这一点。这些突破性的成果，包括消除了对零度以下温度的需求，可以用于提高数据处理速度并减少所需的电量。

“目前的大多数技术都是基于电荷的控制，”比尔德说，“大多数人只是忽略了电子自旋，但自旋非常重要，它也是另一个可以控制和利用的参数。”

之前，在半导体中操控电子自旋需要使用在磁场作用下的铁磁触点。而通过使用手性钙钛矿，研究人员能够将LED转变为一种在室温下且无需磁场即可发射极化光的LED。手性指的是材料的结构无法与其镜像重叠，就像手一样。

例如，一个“左手型”取向的手性系统可能允许具有“向上”自旋的电子传输，但会阻挡具有“向下”自旋的电子，反之亦然。然后，电子的自旋被转换为发射光的“自旋”或极化。

在之前的研究中，极化度（衡量单一方向极化光强度的指标）达到了约2.6%。而加入由元素周期表第三列和第五列材料制成的III-V半导体后，极化度提升到了约15%。极化度是衡量LED中自旋累积程度的直接指标。

“这项工作对我来说特别令人兴奋，因为它将自旋功能与传统LED平台结合在一起，”这项工作的第一作者马修·豪津格（Matthew Hautzinger）说。

“你可以花14美分买到一个与我们使用的类似的LED，但通过将手性钙钛矿融入其中，我们已经将一种已经成熟（且广为人知）的技术转变为了一种具有未来感的自旋控制设备。”