Ny perovskite LED udsender en cirkulært polariseret glød

Lysemitterende dioder (LED'er) har revolutioneret skærmindustrien. LED'er bruger elektrisk strøm til at producere synligt lys uden den overskydende varme, der findes i traditionelle pærer, en glød kaldet elektroluminescens. Dette gennembrud førte til iøjnefaldende, high-definition seeroplevelse, som vi er kommet til at forvente af vores skærme. Nu, en gruppe fysikere og kemikere har udviklet en ny type LED, der bruger spintronik uden behov for et magnetfelt, magnetiske materialer eller kryogene temperaturer; et 'kvantespring', der kunne tage skærme til næste niveau.

"De virksomheder, der laver LED'er eller tv- og computerskærme, ønsker ikke at beskæftige sig med magnetfelter og magnetiske materialer. Det er tungt og dyrt at gøre det, " sagde Valy Vardeny, fremtrædende professor i fysik og astronomi ved University of Utah. "Her, chirale molekyler samles selv i stående arrays, som soldater, der aktivt spin polariserer de injicerede elektroner, som efterfølgende fører til cirkulært polariseret lysudsendelse. Uden magnetfelt, dyre ferromagneter og uden behov for ekstremt lave temperaturer. Det er no-nos for branchen."

De fleste opto-elektroniske enheder, såsom LED'er, styrer kun ladning og lys og ikke elektronernes spin. Elektronerne har små magnetiske felter, som Jorden, har magnetiske poler på modsatte sider. Dens spin kan ses som retningen af ​​polerne og kan tildeles binær information - et 'op'-spin er et '1, ' en 'ned' er en '0'. I modsætning, konventionel elektronik transmitterer kun information gennem byger af elektroner langs en ledende ledning for at formidle beskeder i '1'er' og '0'er'. Spintronic enheder, imidlertid, kunne bruge begge metoder, lover at behandle eksponentielt mere information end traditionel elektronik.

En barriere for kommerciel spintronik er at indstille elektronspin. I øjeblikket, man skal producere et magnetfelt for at orientere elektronspinretningen. Forskere fra University of Utah og National Renewable Energy Laboratory (NREL) udviklede teknologi, der fungerer som et aktivt spinfilter lavet af to lag materiale kaldet chirale todimensionelle metalhalogenidperovskiter. Det første lag blokerer elektroner med spin i den forkerte retning, et lag, som forfatterne kalder et chiral-induceret spin-filter. Så når de resterende elektroner passerer gennem det andet lysemitterende perovskitlag, de får laget til at producere fotoner, der bevæger sig unisont langs en spiralbane, snarere end et konventionelt bølgemønster, at producere cirkulær polariseret elektroluminescens.

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab den 12. marts, 2021.

Venstrehåndet, højrehåndede molekyler

Forskerne udnyttede en egenskab kaldet chiralitet, der beskriver en bestemt type geometri. Menneskehænder er et klassisk eksempel; højre og venstre hånd er arrangeret som spejle af hinanden, men de vil aldrig passe perfekt, uanset orienteringen. Nogle forbindelser, såsom DNA, sukker og chirale metalhalogenidperovskitter, har deres atomer arrangeret i en chiral symmetri. Et "venstrehåndet" orienteret chiralt system kan tillade transport af elektroner med "op" spins, men blokere elektroner med "ned" spins, og omvendt.

"Hvis du forsøger at transportere elektroner gennem disse forbindelser, så bliver elektronspindet på linje med materialets chiralitet, " sagde Vardeny. Andre spin-filtre findes, men de kræver enten en form for magnetfelt, eller de kan kun manipulere elektroner i et lille område. "Det smukke ved perovskit-materialet, som vi brugte, er, at det er todimensionelt - du kan forberede mange planer på 1 cm ² område, der indeholder en million af en milliard (10 ¹⁵ ) stående molekyler med samme chiralitet."

Metalhalogenid perovskit halvledere bruges mest til solceller i disse dage, da de er yderst effektive til at omdanne sollys til elektricitet. Da en solcelle er en af ​​de mest krævende anvendelser af enhver halvleder, forskere opdager, at der også findes andre anvendelser, inklusive spin-LED'er.

"Vi udforsker de grundlæggende egenskaber ved metalhalogenidperovskitter, som har givet os mulighed for at opdage nye applikationer ud over solcelleanlæg, sagde Joseph Luther, medforfatter til det nye papir og NREL-forsker. "Fordi metalhalogenid perovskitter, og andre relaterede metalhalogenid-organiske hybrider, er nogle af de mest fascinerende halvledere, de udviser et væld af nye fænomener, der kan bruges til at transformere energi."

Selvom metalhalogenid-perovskitter er de første til at bevise, at de chiral-hybride enheder er mulige, de er ikke de eneste kandidater til spin-LED'er. Den generelle formel for det aktive spinfilter er et lag af en organisk, chiralt materiale, et andet lag af et uorganisk metalhalogenid, såsom blyjod, et andet organisk lag, uorganisk lag og så videre.

"Det er smukt. Jeg ville elske, at nogen vil komme ud med et andet 2D organisk/uorganisk lagmateriale, der kan gøre noget lignende. På dette stadium, det er meget generelt. Jeg er sikker på, at med tiden, nogen vil finde et andet todimensionelt chiralt materiale, der vil være endnu mere effektivt, " sagde Vardeny.

Konceptet beviser, at brugen af ​​disse todimensionelle chiral-hybridsystemer opnår kontrol over spin uden magneter og har "brede implikationer for applikationer som kvantebaseret optisk databehandling, bioindkodning og tomografi, " ifølge Matthew Beard, en seniorforsker og direktør for Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.