深入探討：長(zhǎng)春應(yīng)化所秦川江研究員的手性準(zhǔn)二維單結(jié)自旋發(fā)光二極管研究

近日，長(zhǎng)春應(yīng)化所秦川江研員團(tuán)隊(duì)在手性準(zhǔn)二維發(fā)光二極管方面取得重要進(jìn)展，研究成果以“Chiral quasi-2D perovskites based single junction spin-light-emitting diodes”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials 上。長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所為該論文第一單位，李彬和博士為第一作者，秦川江研究員、王愷教授為共同通訊作者。今天小卓為大家分享該研究成果，希望對(duì)您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

應(yīng)用方向：鈣鈦礦、Spin-LEDs、圓偏振發(fā)光、自旋選擇效應(yīng)

正文

近年來，可溶液加工的手性金屬鹵化物鈣鈦礦在室溫條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的手性誘導(dǎo)自旋選擇性（CISS）而備受關(guān)注。通過這種特性，緊湊的LED器件也能夠直接操縱注入電子的自旋態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效的圓偏振電致發(fā)光（CP-EL）。該技術(shù)在3D顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。然而，目前基于手性鈣鈦礦的自旋發(fā)光二極管中實(shí)現(xiàn)高外量子效率（EQE）和高CP-EL仍然是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

手性鈣鈦礦材料的相結(jié)構(gòu)與手性誘導(dǎo)的自旋軌道耦合（CISOC）效應(yīng)在自旋操控中具有重要作用。研究團(tuán)隊(duì)通過廣角X射線掠入射小角散射（GIWAXS）和X射線衍射（XRD）技術(shù)，解析了手性鈣鈦礦薄膜的多相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)n = 1相位于薄膜的底界面，而3D相位則主要作為復(fù)合和發(fā)光中心。這種獨(dú)*的垂直相結(jié)構(gòu)分布有利于材料的自旋選擇性。

同時(shí)該團(tuán)隊(duì)通過磁場(chǎng)依賴光譜和自旋軌道理論的結(jié)合，進(jìn)一步量化了手性鈣鈦礦（R/S-MBA?FA?Pb?Br??）中的自旋行為，結(jié)果表明材料的載流子自旋壽命達(dá)20 ps。磁場(chǎng)作用下，自旋注入與產(chǎn)生的圓偏振發(fā)射之間呈現(xiàn)直接相關(guān)關(guān)系。

此外，手性結(jié)構(gòu)使材料在自旋極化效率上達(dá)到87.05%，驗(yàn)證了手性誘導(dǎo)的自旋軌道耦合效應(yīng)（CISOC）的顯著作用。

最后基于該手性準(zhǔn)二維鈣鈦礦體系制備單結(jié)spin-LED并通過手性反溶劑的方法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了Spin-LEDs的外量子效率15.42%。圓偏振電致發(fā)光強(qiáng)度則通過四分之一波片、線性偏振片和熒光光譜儀的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，最終實(shí)現(xiàn)4.98%的CP-EL效率。

配置推薦

文中手性鈣鈦礦材料的時(shí)間分辨發(fā)光（TRPL）和圓偏振發(fā)光（CPL）的測(cè)試采用卓立漢光的OmniFluo990 穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試得到。其TRPL測(cè)試使用350nm飛秒激光進(jìn)行激發(fā)。CPL采用四分之一波片、線性偏振片和熒光光譜儀的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

下圖為秦川江研究員課題組的OmniFluo900系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，耦合正置科研級(jí)顯微鏡，條紋相機(jī)及飛秒激光器。該套系統(tǒng)主要用于雜化半導(dǎo)體和有機(jī)光電材料與器件的研究。

秦川江研究員簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員，課題組長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師、國(guó)家杰出青年基金入選者、國(guó)家人才計(jì)劃青年項(xiàng)目入選者、高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。2009年在中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所獲得高分子化學(xué)博士學(xué)位。2010-2019年分別在香港浸會(huì)大學(xué)、日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所、日本九州大學(xué)從事博士后和研究工作。目前研究方向?yàn)殡s化半導(dǎo)體和有機(jī)光電材料與器件，共發(fā)表論文100余篇，包括 Nature, Nature Photonics, Advanced Materials等著名學(xué)術(shù)期刊。已申請(qǐng)和獲得授權(quán)發(fā)明中國(guó)、日本、PCT等專*20余項(xiàng)。主持國(guó)家人才計(jì)劃青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院修購專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、吉林省科技廳重大項(xiàng)目，參與科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。