„Miracle“-Filter verwandelt im Laden gekaufte LEDs in spintronische Geräte

Herkömmliche Elektronik verwendet Halbleiter, um Daten durch Ausbrüche von Ladungsträgern (Elektronen oder Löcher) zu übertragen, um „1“- und „0“-Nachrichten zu übertragen. Spintronische Geräte können eine Größenordnung mehr Informationen verarbeiten, indem sie der Ausrichtung der Magnetpole der Elektronen einen Binärcode zuweisen, eine Eigenschaft, die als Spin bekannt ist: Ein Spin nach oben ist eine 1, ein Spin nach unten eine 0.

Eines der größten Hindernisse für die Kommerzialisierung der Spintronik ist die Definition und Aufrechterhaltung der Spinorientierung von Elektronen. Die meisten Geräte passen die Spinausrichtung mithilfe von Ferromagneten und Magnetfeldern an, ein langwieriger und unzuverlässiger Prozess. Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass Träger ihre Spinorientierung verlieren, wenn sie von Materialien mit hoher Leitfähigkeit zu Materialien mit niedriger Leitfähigkeit wechseln, beispielsweise von metallischen Ferromagneten zu undotiertem Silizium und konjugierten Polymermaterialien, aus denen die meisten modernen Halbleiter bestehen.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler bestehende optoelektronische Geräte in Geräte umgewandelt, die den Spin von Elektronen bei Raumtemperatur steuern können, ohne Ferromagnete oder Magnetfelder.

Die meisten optoelektronischen Geräte wie LEDs steuern nur Ladung und Licht, nicht jedoch den Elektronenspin. In einer neuen Studie unter der Leitung von Physikern der University of Utah und Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) wurden die Elektroden von im Laden gekauften LEDs durch einen patentierten Spinfilter ersetzt, der aus einem organisch-anorganischen Hybridmaterial auf Perowskitbasis besteht . Die LEDs erzeugten zirkular polarisiertes Licht, ein verräterisches Zeichen dafür, dass der Filter spinausgerichtete Elektronen in die bestehende Halbleiterinfrastruktur der LEDs injiziert hatte, was einen enormen Fortschritt für die Spintronik-Technologie darstellt.

” Es ist ein Wunder. Aufgrund der Diskrepanz zwischen metallischen Ferromagneten und nichtmagnetischen Halbleitern ist es uns jahrzehntelang nicht gelungen, spinausgerichtete Elektronen effizient in Halbleiter zu injizieren“, sagte Valy Vardeny, emeritierter Professor am Fachbereich Physik und Astronomie der Universität und Mitautor des Artikels . „Alle Arten von Geräten, die Spin und Optoelektronik verwenden, wie zum Beispiel Spin-LEDs oder magnetische Speicher, werden von dieser Entdeckung begeistert sein.“ »

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur am 19. Juni 2024.

Rotationsfilter

Im Jahr 2021 entwickelten dieselben Mitarbeiter eine Technologie, die als aktiver Spinfilter aus zwei aufeinanderfolgenden Materialschichten fungiert, den sogenannten chiralen organisch-anorganischen Hybridperowskiten. Chiralität beschreibt die Symmetrie eines Moleküls, bei der sein Spiegelbild nicht mit sich selbst überlagert werden kann. Das klassische Beispiel dafür sind menschliche Hände: Halten Sie Ihre Hände mit den Handflächen nach außen gerichtet. Die rechte und die linke Hand sind spiegelbildlich zueinander angeordnet: Sie können Ihre rechte Hand um 180° drehen, um sie an die Silhouette anzupassen, aber jetzt zeigt die rechte Handfläche zu Ihnen, während die linke Handfläche nach außen zeigt. Sie sind nicht identisch.

Bei einigen Molekülen wie DNA, Zucker und chiralen halogenierten organischen Perowskitschichten sind die Atome in chiraler Symmetrie angeordnet. Der Filter funktioniert, indem er eine chirale Schicht verwendet, die „nach links“ ausgerichtet ist, um Elektronen mit einem „Aufwärts“-Spin durchzulassen, Elektronen mit „Abwärts“-Spin jedoch zu blockieren und umgekehrt. Damals behaupteten Wissenschaftler, die Entdeckung könne dazu genutzt werden, konventionelle Optoelektronik in spintronische Geräte umzuwandeln, indem man einfach den chiralen Spinfilter einbaue. Genau das hat die neue Studie getan.

„Wir haben eine LED aus einem Regal genommen. Wir haben eine Elektrode entfernt und das Spinfiltermaterial sowie eine weitere normale Elektrode eingesetzt. Und los geht’s! Das Licht war stark zirkular polarisiert“, sagte Vardeny.

NERL-Chemiker stellten die Spin-LEDs her, indem sie mehrere Schichten mit jeweils spezifischen physikalischen Eigenschaften stapelten. Die erste Schicht ist eine gewöhnliche transparente Metallelektrode; Das Material in der zweiten Schicht blockiert Elektronen mit Spin in die falsche Richtung, eine Schicht, die die Autoren als chiralitätsinduzierten Spinfilter bezeichnen.

Die spinorientierten Elektronen rekombinieren dann in der dritten Schicht, einem Standardhalbleiter, der in herkömmlichen LEDs als aktive Schicht verwendet wird. Die injizierten, spinausgerichteten Elektronen bewirken, dass diese Schicht Photonen erzeugt, die sich gemeinsam entlang einer Spiralbahn statt eines herkömmlichen Wellenmusters bewegen, um die zirkular polarisierte Elektrolumineszenz zu erzeugen, die für die LED charakteristisch ist.

„Diese Arbeit zeigt die einzigartige und leistungsstarke Fähigkeit dieser neuen ‚Hybrid‘-Halbleiter, das Zusammenspiel unterschiedlicher Eigenschaften organischer und anorganischer Systeme zu kombinieren und zu nutzen“, sagte der Co-Autor der Studie, Matthew Beard vom NREL. „Hier wird die Chiralität von organischen Molekülen übernommen und sorgt für Spinkontrolle, während die anorganische Komponente die organische Komponente ausrichtet und für Leitfähigkeit oder Ladungskontrolle sorgt.“ »

Nachdem der Filter in eine Standard-LED eingebaut worden war, bestätigte Xin Pan, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Physik und Astronomie der Universität, dass das Gerät wie erwartet funktionierte, nämlich durch spinausgerichtete Elektronen. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um die genauen Mechanismen zu erklären, die bei der Erzeugung der polarisierten Spins wirken.

„Das ist die 64.000-Dollar-Frage, die ein Theoretiker beantworten muss“, sagte Vardeny. „Es ist wirklich ein Wunder. Und das Wunder geschieht, ohne den zugrunde liegenden Mechanismus genau zu kennen. Das ist das Schöne daran, ein Experimentator zu sein. Probier’s einfach. »

Die Autoren sagen, dass andere Wissenschaftler die Technik in vielen Zusammenhängen mit anderen chiralen Materialien wie DNA anwenden können.