自组装单层结构有助于同时提升手性钙钛矿红色自旋光发射二极管的外部量子效率和圆偏振发光不对称性因子

《Advanced Science》：Self-Assembled Monolayers Facilitate Simultaneous Enhancements of External Quantum Efficiencies and Circularly Polarized Luminescence Dissymmetry Factors for Chiral Perovskite Red Spin-Light Emitting Diodes

手性杂化钙钛矿自旋发光二极管通过自组装单层界面工程优化，实现了8.3%的EQE和16.3%的g_EL，机理涉及自旋-光子耦合增强与离子迁移抑制。

　　本研究聚焦于一种基于手性诱导自旋轨道耦合（CISOC）机制的新型材料——手性杂化钙钛矿（CHPs）在开发高性能自旋发光二极管（spin-LEDs）中的应用潜力。手性钙钛矿因其独特的物理特性，能够将自旋角动量有效地转移到光的角动量，从而实现具有特定偏振特性的发光。然而，目前这类自旋发光二极管的发展面临一个关键挑战，即如何在不依赖磁性材料和磁场的情况下，同时提升外部量子效率（EQE）和圆偏振电致发光（CPEL）的偏振度（即g_EL值）。这一限制因素严重影响了自旋发光二极管的性能优化和实际应用前景。

为了突破这一瓶颈，研究团队引入了一种自组装单层（SAM）技术，将其作为NiO_x传输层与手性钙钛矿发射层之间的界面层。通过这种界面工程策略，成功实现了红光自旋发光二极管的制备，并在实验中获得了显著的性能提升。具体而言，研究结果表明，使用SAM处理后的红光自旋发光二极管在725纳米波长下，其外部量子效率（EQE）达到了8.3%，而圆偏振电致发光的偏振度（g_EL）则达到了16.3%。这两个数值均超过了传统未使用SAM的对照样品，后者分别为8.0%和12.3%。这一成果标志着在非磁性条件下，通过材料界面设计实现高效率自旋发光二极管的可行性，为未来自旋光电子器件的开发提供了新的思路。

从物理机制来看，SAM的引入对钙钛矿材料的性能产生了多方面的积极影响。首先，SAM有助于改善钙钛矿薄膜的结晶性，从而减少材料内部的缺陷密度，提高载流子的迁移效率和寿命。其次，SAM层能够有效抑制离子迁移现象，这是传统钙钛矿材料在长时间运行中出现性能退化的重要原因之一。离子迁移不仅会导致载流子的非辐射复合，还可能影响自旋态的稳定性，从而降低自旋发光的偏振度。通过SAM的引入，这些负面影响被显著缓解，从而提升了自旋发光二极管的整体性能。此外，SAM还增强了钙钛矿材料的自旋选择能力，使得其在电致发光过程中能够更有效地实现自旋极化。这一效应的增强源于SAM对CISOC的促进作用，即通过改变材料的电子结构，增强了自旋轨道耦合的强度，从而使得自旋态在电荷传输过程中具有更高的选择性。

在实验中，研究团队采用多种技术手段对SAM对钙钛矿材料的影响进行了系统分析。例如，通过X射线光电子能谱（XPS）验证了SAM与NiO_x之间的化学相互作用，这为SAM在界面处的稳定存在提供了理论依据。同时，利用X射线衍射（XRD）分析了钙钛矿薄膜的结晶度，发现SAM的引入显著提高了材料的结晶质量，减少了晶格畸变和表面空隙，从而改善了电荷传输路径。此外，通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和稳态光致发光（SSPL）光谱的对比，研究团队进一步确认了SAM对钙钛矿能带结构的调控作用，这为实现高效率的电致发光奠定了基础。

在自旋光电子特性方面，研究团队通过圆偏振发光（CPL）和圆偏振透射吸收（CP-TA）光谱分析了SAM对自旋寿命和自旋极化能力的影响。结果显示，使用SAM的钙钛矿材料在725纳米波长下的自旋寿命（τ_spin）约为27.6皮秒，比对照样品（约12.1皮秒）提高了近两倍。这一显著的自旋寿命提升，表明SAM不仅改善了钙钛矿材料的光学性能，还对其磁性特性产生了积极影响。自旋寿命的延长意味着自旋态在材料中能够更长时间地保持其极化特性，从而为高效的自旋发光提供了物理基础。

同时，研究团队还通过温度依赖的圆偏振发光偏振度（DP）测量，定量分析了CISOC的强度（α）。实验表明，随着温度的降低，DP呈现逐渐上升的趋势，这与CISOC效应的增强密切相关。通过模型计算，研究团队得出R-CHP_S的CISOC强度为0.102 eV·?，而R-CHP_NS的CISOC强度仅为0.076 eV·?。这一结果表明，SAM的引入显著增强了钙钛矿材料的自旋轨道耦合效应，从而提高了其在电致发光过程中的自旋选择能力。

在自旋电流的极化特性方面，研究团队利用磁输运测量方法对SAM处理后的自旋发光二极管进行了系统分析。实验结果显示，在施加直流偏压的情况下，SAM处理后的自旋电流极化度（P_spin）在1至2伏特的电压范围内从80%下降至75%，而对照样品的P_spin则从80%下降至60%。尽管存在一定的电压依赖性，但SAM处理后的自旋电流极化度仍保持较高的水平，说明SAM在改善自旋极化能力方面具有显著优势。

此外，研究团队还通过空间电荷限制电流（SCLC）方法对钙钛矿材料的陷阱密度进行了表征。实验数据显示，SAM处理后的钙钛矿材料具有更低的陷阱密度，这有助于减少非辐射复合过程，提高载流子的利用率。同时，通过阻抗谱分析，研究团队进一步确认了SAM对离子迁移的抑制作用，其在低频区域的阻抗响应表现出明显的差异，这表明SAM能够有效阻断离子在材料中的扩散路径，从而提高器件的稳定性和效率。

在实际应用方面，研究团队通过电致发光光谱（EL）和时间分辨光致发光（TRPL）光谱对SAM处理后的自旋发光二极管进行了详细分析。结果显示，SAM处理后的钙钛矿材料具有更窄的发射光谱半高全宽（FWHM），表明其在发光过程中具有更高的单色性。同时，TRPL光谱显示，SAM处理后的钙钛矿材料的荧光激子复合寿命显著延长，这进一步验证了SAM在提升材料发光效率和稳定性方面的关键作用。

本研究的创新点在于首次将SAM技术应用于手性钙钛矿自旋发光二极管的界面工程中，实现了电子和自旋性能的协同优化。这一成果不仅为自旋发光二极管的开发提供了新的材料设计思路，也为未来基于非磁性材料的自旋光电子器件的构建开辟了新的方向。通过SAM的引入，研究团队成功克服了传统自旋发光二极管在性能提升方面的限制，为实现高效、稳定的自旋发光器件提供了坚实的理论和实验基础。同时，这项研究也为钙钛矿材料在自旋光电子领域的应用拓展了新的可能性，有望推动相关技术在光电子、光通信、生物成像等领域的进一步发展。