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导读 近日，美国犹他大学的研究人员展示了采用钙钛矿打造的两个自旋电子器件，论证了钙钛矿将成为新一代电子学“自旋电子学”这一新兴领域中的“神奇材料”。 背景 1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）站在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上，捡起一块以前从未被发现的矿物。 钙钛矿岩石（图片来源：维基百科） 那时，他没有听说过“晶体管”或“二极管”，也没想到电子器件会变成我们日常生活的一部分。更出乎他意料的是，他手中的这块被他以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字命名为“钙钛矿（perovskite）”的这块矿石，会成为彻底变革电子器件的关键因素之一。 钙钛矿具有如此重要的价值，离不开其特殊的结构。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。 （图片来源：参考资料【2】） 钙钛矿结构稳定，有利于缺陷的扩散迁移，具备许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等。因此，钙钛矿结构特别适合应用于电子器件，例如LED灯、光通信器件、数据存储设备、太阳能电池等。 钙钛矿LED（图片来源：美国化学会） 钙钛矿可见光通信器件（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学） 钙钛矿存储器件（图片来源：László Forró/瑞士洛桑联邦理工学院 ） 钙钛矿太阳能电池（图片来源：UNIST） 创新 然而，除了上述应用之外，钙钛矿还会有什么更加奇妙的新价值？ 2017年，美国犹他大学的物理学家 Valy Vardeny 认为，钙钛矿将成为新一代电子学“自旋电子学”这一新兴领域中的“神奇材料”。他坚持着这一主张。 近日，在一篇发表于《自然通信（Nature Communications）》期刊上的论文中，Vardeny、Jingying Wang、Dali Sun （现任职于北卡罗莱纳州立大学）以及其他同事们展示了两个采用钙钛矿打造的器件，从而论证了钙钛矿材料在自旋电子系统中的应用潜力。Vardeny 表示，钙钛矿的神奇特性让自旋电子晶体管的梦想离现实又更近了一步。 技术 “后摩尔时代”已经悄然到来，对于采用“电荷”传输与处理数据的传统计算机来说，其性能正日益逼近物理极限。之前一直受忽视的电子另一特性“自旋”（它可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下），获得了科学界的普遍重视。 如今，“自旋电子学”成为了一个热门的前沿科技领域，自旋电子学研究有望带来性能更好、能耗更低的新一代电子器件。 自旋与磁学的关系密切。因此，自旋电子学采用磁学来对齐具有特定自旋的电子，或者说，将自旋“注入”到系统中。 如果你做过一个古老的科学实验：反复地将磁铁沿着铁钉来回拖动，铁钉就会被磁化变成磁铁，那么实际上你已经涉及到自旋电子学了。磁铁将信息转移到了铁钉中。这个方法可用于转移并操纵信息，但是需要器件和材料都具有被精细调谐好的特性。 美国犹他大学研究人员们正在致力于朝着自旋晶体管的里程碑迈进。自旋晶体管，是几乎在所有现代电子器件中都可以找到的晶体管的“自旋电子学版本”。这种器件需要在半导体材料中用磁场轻易操控电子自旋的方向，这种特性也称为自旋轨道耦合。 Wang 表示，构造这样的晶体管并不简单。“我们一直在寻找新材料，来看看它们是否更适合这一用途。”
钙钛矿是一类具有特殊原子结构的矿物。它们作为技术材料的价值，在过去十年才凸显出来。由于独特的原子结构，研究人员们一直在开发钙钛矿，使之成为太阳电池板的材料。2018年，他们实现了高达23%的光电转换效率，相比于2009年的3.8%，前进了一大步。 同时，Vardeny 及其同事正在探索自旋电子学以及各种有效传输自旋的材料。由于钙钛矿中存在的重金属铅原子，物理学家们预测，这种矿物将具有更强的自旋轨道耦合效应。 在2017年的一篇论文【3】中，Vardeny 与物理系助理教授 Sarah Li 演示了一种称为“有机无机杂化钙钛矿”的材料，这种材料确实具较强的自旋轨道耦合效应。注入到杂化材料中的自旋的生命周期也维持了相对较长的时间。两个结果都显示，这种杂化钙钛矿有望作为自旋电子学材料使用。 （图片来源：Patrick Odenthal） 在近期的研究中，Vardeny 与 Wang 进一步完成的工作，就是使杂化钙钛矿材料成为自旋电子器件的一部分。 第一个器件是自旋电子学的发光二极管（LED）。传统LED中的半导体含有电子与空穴（在原子中，“空穴”这个位置是电子本来应该处于的位置，而实际上电子却不在这个问题。）当电子流过二极管时，它们填补了空穴，并发光。 基于 MAPbBr3 的自旋LED器件（图片来源：参考资料【4】） Wang 表示，自旋电子LED几乎也是采用同样的工作方式，但是却用的是一个磁性电极，用极化的空穴来容纳特定的自旋电子。Wang 表示，LED 采用的是圆极化的电致发光。这表明了磁性电极成功地将自旋极化电子转移到材料中。 Vardeny 补充道：“如果将一个半导体和一个铁磁体放在一起，你就可以得到一个自旋‘注入’。这一点并不是不证自明的。你必须去证明。而他们证明了这一点。” 第二个器件是一个自旋阀。类似的器件已经存在，并在以计算机硬盘驱动器为代表的器件中使用。在自旋阀中，外部磁场在“开放的低电阻状态”与“关闭的高电阻状态”之间，翻转自旋阀中磁性材料的极性。 |
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