鈣鈦礦：新一代自旋電子器件的「神奇材料」

導讀

近日，美國猶他大學的研究人員展示了採用鈣鈦礦打造的兩個自旋電子器件，論證了鈣鈦礦將成為新一代電子學「自旋電子學」這一新興領域中的「神奇材料」。

背景

1839年，德國礦物學家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）站在俄羅斯中部的烏拉爾山脈上，撿起一塊以前從未被發現的礦物。

鈣鈦礦岩石（圖片來源：維基百科）

那時，他沒有聽說過「晶體管」或「二極體」，也沒想到電子器件會變成我們日常生活的一部分。更出乎他意料的是，他手中的這塊被他以俄羅斯地質學家 Lev Perovski 的名字命名為「鈣鈦礦（perovskite）」的這塊礦石，會成為徹底變革電子器件的關鍵因素之一。

鈣鈦礦具有如此重要的價值，離不開其特殊的結構。鈣鈦礦材料結構式一般為ABX3，其中A為有機陽離子, B為金屬離子, X為鹵素基團。該結構中, 金屬B原子位於立方晶胞體心處, 鹵素X原子位於立方體面心, 有機陽離子A位於立方體頂點位置。

（圖片來源：參考資料【2】）

鈣鈦礦結構穩定，有利於缺陷的擴散遷移，具備許多特殊的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等。因此，鈣鈦礦結構特別適合應用於電子器件，例如LED燈、光通信器件、數據存儲設備、太陽能電池等。

鈣鈦礦LED（圖片來源：美國化學會）

鈣鈦礦可見光通信器件（圖片來源：阿卜杜拉國王科技大學）

鈣鈦礦存儲器件（圖片來源：László Forró/瑞士洛桑聯邦理工學院 ）

鈣鈦礦太陽能電池（圖片來源：UNIST）

創新

然而，除了上述應用之外，鈣鈦礦還會有什麼更加奇妙的新價值？

2017年，美國猶他大學的物理學家 Valy Vardeny 認為，鈣鈦礦將成為新一代電子學「自旋電子學」這一新興領域中的「神奇材料」。他堅持著這一主張。

近日，在一篇發表於《自然通信（Nature Communications）》期刊上的論文中，Vardeny、Jingying Wang、Dali Sun （現任職於北卡羅萊納州立大學）以及其他同事們展示了兩個採用鈣鈦礦打造的器件，從而論證了鈣鈦礦材料在自旋電子系統中的應用潛力。Vardeny 表示，鈣鈦礦的神奇特性讓自旋電子晶體管的夢想離現實又更近了一步。

技術

「後摩爾時代」已經悄然到來，對於採用「電荷」傳輸與處理數據的傳統計算機來說，其性能正日益逼近物理極限。之前一直受忽視的電子另一特性「自旋」（它可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下），獲得了科學界的普遍重視。

如今，「自旋電子學」成為了一個熱門的前沿科技領域，自旋電子學研究有望帶來性能更好、能耗更低的新一代電子器件。

自旋與磁學的關係密切。因此，自旋電子學採用磁學來對齊具有特定自旋的電子，或者說，將自旋「注入」到系統中。

如果你做過一個古老的科學實驗：反覆地將磁鐵沿著鐵釘來回拖動，鐵釘就會被磁化變成磁鐵，那麼實際上你已經涉及到自旋電子學了。磁鐵將信息轉移到了鐵釘中。這個方法可用於轉移並操縱信息，但是需要器件和材料都具有被精細調諧好的特性。

美國猶他大學研究人員們正在致力於朝著自旋晶體管的里程碑邁進。自旋晶體管，是幾乎在所有現代電子器件中都可以找到的晶體管的「自旋電子學版本」。這種器件需要在半導體材料中用磁場輕易操控電子自旋的方向，這種特性也稱為自旋軌道耦合。

Wang 表示，構造這樣的晶體管並不簡單。「我們一直在尋找新材料，來看看它們是否更適合這一用途。」

然而，這正是鈣鈦礦發揮作用的地方。

鈣鈦礦是一類具有特殊原子結構的礦物。它們作為技術材料的價值，在過去十年才凸顯出來。由於獨特的原子結構，研究人員們一直在開發鈣鈦礦，使之成為太陽電池板的材料。2018年，他們實現了高達23%的光電轉換效率，相比於2009年的3.8%，前進了一大步。

同時，Vardeny 及其同事正在探索自旋電子學以及各種有效傳輸自旋的材料。由於鈣鈦礦中存在的重金屬鉛原子，物理學家們預測，這種礦物將具有更強的自旋軌道耦合效應。

在2017年的一篇論文【3】中，Vardeny 與物理系助理教授 Sarah Li 演示了一種稱為「有機無機雜化鈣鈦礦」的材料，這種材料確實具較強的自旋軌道耦合效應。注入到雜化材料中的自旋的生命周期也維持了相對較長的時間。兩個結果都顯示，這種雜化鈣鈦礦有望作為自旋電子學材料使用。

（圖片來源：Patrick Odenthal）

在近期的研究中，Vardeny 與 Wang 進一步完成的工作，就是使雜化鈣鈦礦材料成為自旋電子器件的一部分。

第一個器件是自旋電子學的發光二極體（LED）。傳統LED中的半導體含有電子與空穴（在原子中，「空穴」這個位置是電子本來應該處於的位置，而實際上電子卻不在這個問題。）當電子流過二極體時，它們填補了空穴，並發光。

基於 MAPbBr3 的自旋LED器件（圖片來源：參考資料【4】）

Wang 表示，自旋電子LED幾乎也是採用同樣的工作方式，但是卻用的是一個磁性電極，用極化的空穴來容納特定的自旋電子。Wang 表示，LED 採用的是圓極化的電致發光。這表明了磁性電極成功地將自旋極化電子轉移到材料中。

Vardeny 補充道：「如果將一個半導體和一個鐵磁體放在一起，你就可以得到一個自旋『注入』。這一點並不是不證自明的。你必須去證明。而他們證明了這一點。」

第二個器件是一個自旋閥。類似的器件已經存在，並在以計算機硬碟驅動器為代表的器件中使用。在自旋閥中，外部磁場在「開放的低電阻狀態」與「關閉的高電阻狀態」之間，翻轉自旋閥中磁性材料的極性。

基於MAPbBr3的自旋閥（圖片來源：參考資料【4】）

Wang 與 Vardeny 的自旋閥實現了更多的功能。他們採用雜化鈣鈦礦作為器件材料，將自旋「注入"到器件中，然後採用磁操控引起器件中的自旋旋轉（搖擺不定）。

價值

研究人員們稱，這非常重要。Wang 表示：「你能夠開發的自旋電子器件，不僅對記錄信息與數據存儲有用，而且對計算也有用。這是開闢自旋電子學領域的初衷，也是我們仍在努力的方向。」

這些實驗合在一起，展示了鈣鈦礦可以成為一種自旋電子半導體。雖然，這項研究離基於自旋的晶體管的最終目標還有「幾步之遙」，但是它為未來的道路奠定了重要的基礎。

關鍵字

鈣鈦礦、自旋、晶體管、半導體

參考資料

【1】https://unews.utah.edu/spintronics-perovskite/

【2】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509

【3】https://www.nature.com/articles/nphys4145

【4】Jingying Wang, Chuang Zhang, Haoliang Liu, Ryan McLaughlin, Yaxin Zhai, Shai R. Vardeny, Xiaojie Liu, Stephen McGill, Dmitry Semenov, Hangwen Guo, Ryuichi Tsuchikawa, Vikram V. Deshpande, Dali Sun, Z. Valy Vardeny. Spin-optoelectronic devices based on hybrid organic-inorganic trihalide perovskites. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-07952-x

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