Naukowcy z NREL opracowali nowy typ diody LED, która kontroluje spin elektronów i emituje spolaryzowane światło w temperaturze pokojowej poprzez połączenie chiralnego perowskitu z półprzewodnikiem III-V, co potencjalnie rewolucjonizuje dziedzinę optoelektroniki. Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z projektu NREL opracowali diodę LED o kontrolowanym spinie, wykorzystującą półprzewodnik III-V i chiralny perowskit halogenkowy, udoskonalając optoelektronikę poprzez zwiększenie szybkości transmisji danych i zmniejszenie zużycia energii, co sfinansowano w ramach projektu CHOISE.
Naukowcy z Krajowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) przeprowadzili prace badawcze, których efektem były postępy, które mogłyby umożliwić stworzenie szerszej gamy obecnie niewyobrażalnych urządzeń optoelektronicznych.
Naukowcy, których poprzednia innowacja obejmowała z warstwą perowskitu które umożliwiły stworzenie nowego typu spolaryzowanej diody elektroluminescencyjnej (LED), która emituje fotony o kontrolowanym spinie w temperaturze pokojowej bez użycia pól magnetycznych lub styków ferromagnetycznych, teraz poszły o krok dalej, integrując optoelektronikę półprzewodnikową III-V struktura z chiralnym halogenkowym półprzewodnikiem perowskitowym. Oznacza to, że przekształcili istniejącą komercyjną diodę LED w taką, która również kontroluje spin elektronów. Wyniki wytyczają drogę do przekształcenia współczesnej optoelektroniki – dziedziny opierającej się na kontroli światła i obejmującej między innymi diody LED, ogniwa słoneczne i lasery telekomunikacyjne.
Implikacje badań
„To od wyobraźni zależy, dokąd to wszystko pójdzie i gdzie się to skończy” – powiedział Matthew Beard, starszy pracownik naukowy w NREL i współautor nowo opublikowanego artykułu Natura artykuł.
Beard jest także dyrektorem Centrum Hybrydowych Organicznych Nieorganicznych Półprzewodników Energii (CHOISE), Centrum Badań nad Pograniczami Energii finansowanego przez Biuro Nauki ds. Podstawowych Nauk o Energii w ramach DOE. Opisane badanie zostało sfinansowane przez CHOISE i opierało się na szerokiej wiedzy naukowej uzyskanej z NREL, Colorado School of Mines, University of Utah, University of Colorado Boulder i Universite de Lorraine we Francji.
Cele WYBORU
Celem projektu CHOISE jest zrozumienie kontroli nad wzajemną konwersją ładunku, spinu i światła przy użyciu starannie zaprojektowanych układów chemicznych. W szczególności prace skupiają się na kontroli spinu elektronu, który może być „w górę” lub „w dół”. Większość współczesnych urządzeń optoelektronicznych opiera się na wzajemnej konwersji ładunku i światła. Jednak spin jest kolejną właściwością elektronów, a kontrola nad spinem może umożliwić szereg nowych efektów i funkcjonalności. W 2021 roku badacze opublikowali artykuł, w którym donieśli, jak stosując dwie różne warstwy perowskitu, byli w stanie kontrolować spin, tworząc filtr, który blokuje „wirowanie” elektronów w złym kierunku.
Postawili wówczas hipotezę, że można by dokonać postępu w optoelektronice, gdyby udało im się połączyć jedno i drugie półprzewodniki, a potem dalej to robił. Dokonano przełomów, które obejmują wyeliminowanie potrzeby stosowania temperatury poniżej zera Celsjusz temperatur, można wykorzystać do zwiększenia prędkości przetwarzania danych i zmniejszenia ilości potrzebnej energii.
„Większość współczesnych technologii opiera się na kontrolowaniu ładunku” – powiedział Beard. „Większość ludzi po prostu zapomina o spinie elektronu, ale spin jest bardzo ważny, a także kolejny parametr, który można kontrolować i wykorzystywać”.
Manipulowanie spinem elektronów w półprzewodniku wymagało wcześniej użycia styków ferromagnetycznych pod przyłożonym polem magnetycznym. Wykorzystując chiralne perowskity, badaczom udało się przekształcić diodę LED w taką, która emituje spolaryzowane światło w temperaturze pokojowej i bez pola magnetycznego. Chiralność odnosi się do struktury materiału, której nie można nałożyć na jej lustrzane odbicie, np. na dłoń. Na przykład „lewoskrętny” układ chiralny może umożliwiać transport elektronów o spinach „w górę”, ale blokować elektrony o spinach „w dół” i odwrotnie. Spin elektronu jest następnie przekształcany w „spin”, czyli polaryzację emitowanego światła. Stopień polaryzacji, który mierzy natężenie światła spolaryzowanego w jednym kierunku, w poprzednich badaniach wynosił około 2,6%. Dodatek półprzewodnika III-V – wykonanego z materiałów z trzeciej i piątej kolumny układu okresowego – zwiększył polaryzację do około 15%. Stopień polaryzacji służy jako bezpośrednia miara akumulacji spinu w diodzie LED.
„Ta praca jest dla mnie szczególnie ekscytująca, ponieważ łączy funkcjonalność wirowania z tradycyjną platformą LED” – powiedział pierwszy autor pracy, Matthew Hautzinger. „Można kupić diodę LED analogiczną do tej, której używaliśmy, za 14 centów, ale dzięki zastosowaniu chiralnego perowskitu przekształciliśmy już solidną (i dobrze poznaną) technologię w futurystyczne urządzenie kontrolujące wirowanie”.
Odniesienie: „Wstrzyknięcie spinu w temperaturze pokojowej przez chiralny perowskit/interfejs III – V” autorstwa Matthew P. Hautzingera, Xin Pan, Stevena C. Haydena, Jiselle Y. Ye, Qi Jiang, Mickey J. Wilson, Alan J. Phillips, Yifan Dong, Emily K. Raulerson, Ian A. Leahy, Chun-Sheng Jiang, Jeffrey L. Blackburn, Joseph M. Luther, Yuan Lu, Katherine Jungjohann, Z. Valy Vardeny, Joseph J. Berry, Kirstin Alberi i Matthew C. Broda, 19 czerwca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4
