清華新聞網(wǎng)9月4日電 有機(jī)無(wú)機(jī)混合鈣鈦礦是一種正在快速發(fā)展的半導(dǎo)體材料。因其對(duì)光吸收強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)換效率高且易于制備，在光伏、光電探測(cè)器、LED等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的光電應(yīng)用之外，近年來(lái)人們還發(fā)現(xiàn)了這類(lèi)材料在自旋電子學(xué)中的前景。通過(guò)光注入，鈣鈦礦中可以形成很強(qiáng)的自旋極化，并且自旋的相干時(shí)間在低溫下可以達(dá)到～1納秒。另外，作為材料的自旋被外場(chǎng)調(diào)控的重要參數(shù)，鈣鈦礦的朗德g因子也通過(guò)超快光學(xué)的方法被重點(diǎn)研究，其數(shù)值由一些重要的能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。
盡管鈣鈦礦的自旋性質(zhì)已被關(guān)注，前期的研究卻被局限于傳統(tǒng)的以鉛元素為基礎(chǔ)的鈣鈦礦。作為鉛的替代，同主族的錫元素可以提供更好的光伏性能，并帶來(lái)更多的材料調(diào)控可能性。但因二價(jià)錫離子易氧化，制備高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜的方法在近幾年才被成功發(fā)展出來(lái)。考慮到錫與鉛帶來(lái)的不同的鈣鈦礦電子結(jié)構(gòu)、自旋軌道耦合以及樣品缺陷對(duì)自旋弛豫的影響，錫基鈣鈦礦自旋性質(zhì)將與傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦自旋性質(zhì)非常不同。
近期，清華大學(xué)物理系楊魯懿副教授與南京大學(xué)譚海仁教授以及清華大學(xué)物理系徐勇教授合作，研究了鉛和鉛錫混合鈣鈦礦的超快自旋動(dòng)力學(xué)。
圖1.時(shí)間分辨法拉第旋轉(zhuǎn)測(cè)量鈣鈦礦半導(dǎo)體超快自旋動(dòng)力學(xué)示意圖。利用此類(lèi)材料中的光選擇定則，可以用圓偏振泵浦脈沖光注入自旋極化的電子和空穴，隨后的演化可以用時(shí)間延遲的線(xiàn)偏振探測(cè)脈沖光通過(guò)測(cè)量樣品的法拉第轉(zhuǎn)角測(cè)得，外加磁場(chǎng)可以操控電子和空穴自旋的進(jìn)動(dòng)
他們利用超快時(shí)間分辨泵浦-探測(cè)法拉第旋轉(zhuǎn)光譜（圖1），在低溫下測(cè)量了鉛和鉛錫混合鈣鈦礦的自旋相干及弛豫時(shí)間，并通過(guò)外加面內(nèi)磁場(chǎng)下觀(guān)測(cè)到的自旋拉莫爾進(jìn)動(dòng)，確定了兩個(gè)樣品中電子和空穴的朗德g因子及g因子展寬（圖2）。
圖2.實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的鉛和鉛錫混合鈣鈦礦在外加面內(nèi)磁場(chǎng)下的拉莫爾進(jìn)動(dòng)。時(shí)間分辨法拉第旋轉(zhuǎn)原始數(shù)據(jù)（a,b）及FFT（c,d），F(xiàn)FT高低兩個(gè)共振頻率分別對(duì)應(yīng)電子和空穴自旋拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率。電子和空穴自旋拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率（e）及自旋相干時(shí)間倒數(shù)（f）隨外磁場(chǎng)的關(guān)系
盡管錫的自旋軌道耦合強(qiáng)度比鉛要小，鉛錫鈣鈦礦卻擁有更短的自旋弛豫時(shí)間，結(jié)合鉛錫鈣鈦礦中體現(xiàn)的更大g因子展寬，說(shuō)明了該材料中相對(duì)密布的缺陷對(duì)自旋散射及自旋失相干過(guò)程產(chǎn)生的重大影響。同時(shí)，兩個(gè)材料的朗德g因子可以利用基于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的k·p模型得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，鉛錫鈣鈦礦中稍小的空穴g因子也可以通過(guò)合理調(diào)整模型中自旋軌道耦合強(qiáng)度得到，凸顯了自旋軌道耦合對(duì)材料中空穴g因子的影響。此兩個(gè)樣品的電子g因子是相似鈣鈦礦材料中最大的（3.75和4.36），表明其自旋非常易于被外磁場(chǎng)操控，因而有望在未來(lái)自旋電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。 另外，將鈣鈦礦應(yīng)用到室溫自旋電子學(xué)器件需要對(duì)材料中熱效應(yīng)及其對(duì)自旋性質(zhì)的影響有更好的理解。此工作還系統(tǒng)地研究了自旋性質(zhì)隨溫度的變化，并且首次對(duì)觀(guān)測(cè)到的g因子隨溫度巨大的變化提出了解釋?zhuān)▓D3）。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體如硅、砷化鎵相比，鈣鈦礦具有更柔軟的角相接八面體結(jié)構(gòu)，因而熱效應(yīng)在引起晶格熱膨脹之外還會(huì)帶來(lái)劇烈的晶格振動(dòng)。他們的計(jì)算表明g因子隨溫度的劇烈改變主要源于晶格振動(dòng)（而非晶格膨脹）對(duì)能帶結(jié)構(gòu)（帶隙、自旋軌道耦合能隙以及帶間躍遷矩陣）的巨大影響。
圖3.測(cè)得的電子和空穴朗德g因子隨溫度的劇烈變化（a,b）及其理論模型（c,d）
該研究成果以“有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鉛和鉛錫混合鈣鈦礦中的自旋相干性及自旋弛豫”（Spin Coherence and Spin Relaxation in Hybrid Organic-Inorganic Lead and Mixed Lead-Tin Perovskites）為題發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。
清華大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生（加拿大多倫多大學(xué)2016級(jí)博士生）張昊晨為該論文的第一作者，楊魯懿副教授為通訊作者。論文的合作者還包括清華大學(xué)博士研究生翟澤華（2019級(jí)）、畢芷瑄（2018級(jí)），南京大學(xué)博士研究生高寒（2018級(jí)）以及中國(guó)工程物理研究院副研究員葉萌。
該研究得到低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01734
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
