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自旋电子学的奇迹材料经受了考验

发布时间:2019-01-24 10:37:55 来源:

1839年德国矿物学家古斯塔夫·罗斯(Gustav Rose)站在俄罗斯乌拉尔山脉(Ural Mountains)的山坡上,拿起一块以前未发现的矿物,他从未听说过晶体管或二极管,或者对传统电子产品如何成为我们日常生活中不可或缺的一部分有任何概念住。他无法预料到他手里拿着的岩石,他称之为“钙钛矿”,可能是我们所知道的革新电子产品的关键。

2017年,犹他大学的物理学家Valy Vardeny称钙钛矿是新兴的下一代电子领域的一种“奇迹材料”,称为自旋电子学,他坚持这一主张。在今天发表在Nature Communications上的一篇论文中,Vardeny与王晶英,Dali Sun(现在北卡罗来纳州立大学)及其同事展示了两种使用钙钛矿建造的器件,以展示材料在自旋电子系统中的潜力。Vardeny说,它的特性使自旋电子晶体管的梦想更接近现实。

自旋电子学

传统的数字电子系统通过穿过导线的电子脉冲传送二进制信号(想想1和0)。自旋电子学可以通过电子的另一个特征,它们的自旋方向(向上或向下思考)传达额外的信息。旋转与磁性有关。因此,自旋电子学使用磁力来对准某个自旋的电子,或者“旋转”到系统中。

如果你曾经做过旧的科学实验,通过反复拖动磁铁沿着它的长度将钉子变成磁铁,那么你已经涉足了自旋电子学。磁铁将信息传递给指甲。然后诀窍是传输和操纵该信息,这需要具有精细调整属性的设备和材料。研究人员正在努力实现旋转晶体管的里程碑,旋转晶体管是几乎所有现代电子产品中的电子元件的自旋电子学版本。这种器件需要一种半导体材料,其中磁场可以很容易地控制电子自旋的方向 - 一种叫做自旋轨道耦合的特性。王说,建造这样一个晶体管并不容易。“我们一直在寻找新的材料,看它们是否更适合这个目的。”

这是钙钛矿发挥作用的地方。

钙钛矿

钙钛矿是一类具有特定原子结构的矿物。它们作为一种技术材料的价值在过去十年中才变得明显。由于这种原子结构,研究人员一直在开发钙钛矿成为制造太阳能电池板的材料。到2018年,它们实现了高达23%的太阳能转换为电能的效率 - 比2009年的3.8%大幅提升。

与此同时,Vardeny和他的同事正在探索自旋电子学和各种材料的可能性,这些材料可以证明有效地传递自旋。由于钙钛矿中的铅原子含量很高,物理学家预测该矿物可能具有强烈的自旋 - 轨道耦合作用。在2017年的一篇论文中,Vardeny和物理学助理教授Sarah Li表明,一类称为有机 - 无机杂化钙钛矿的钙钛矿确实具有大的自旋 - 轨道耦合。而且,注入杂化材料的旋转寿命持续相对长的时间。两项结果都表明,这种混合钙钛矿有望作为自旋电子学材料。

两个自旋电子设备

Vardeny和Wang在他们最近的工作中完成的下一步是将杂化钙钛矿结合到自旋电子器件中。第一种器件是自旋电子发光二极管或LED。传统LED中的半导体包含电子和空穴 - 原子位于电子应该存在的位置,但不是。当电子流过二极管时,它们会填充空穴并发光。

Wang说,自旋电子LED的工作方式大致相同,但带有磁性电极,并且电子空穴被极化以容纳一定旋转的电子。王说,LED点亮圆极化电致发光,表明磁电极成功地将自旋极化电子转移到材料中。

“如果你把一个半导体和一个铁磁体放在一起就可以进行自旋注入,这是不言自明的,”Vardeny补充道。“你必须证明这一点。他们证明了这一点。”

第二个装置是旋转阀。类似的设备已经存在并且用在诸如计算机硬盘驱动器之类的设备中。在自旋阀中,外部磁场在开启的低电阻状态和闭合的高电阻状态之间翻转阀中的磁性材料的极性。

Wang和Vardeny的自旋阀做得更多。使用混合钙钛矿作为器件材料,研究人员可以将旋转注入器件,然后使用磁性操作使旋转在器件内进动或摆动。

研究人员表示,这是一个大问题。“你可以开发不仅对记录信息和数据存储有用的自旋电子学,还有计算,”王说。“这是启动自旋电子学领域的人们的最初目标,而这正是我们仍在努力的目标。”

总之,这些实验表明钙钛矿用作自旋电子半导体。旋转晶体管的最终目标仍然是几步之遥,但这项研究为未来的发展奠定了重要的基础。

“我们所做的就是证明人们认为钙钛矿的可能实际发生了,”Vardeny说。“这是一大步。”

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