Một nỗ lực nghiên cứu do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) dẫn đầu đã đạt được những tiến bộ có thể cho phép chế tạo nhiều loại thiết bị quang điện tử hơn hiện nay chưa được hình dung tới.
Sơ đồ LED và đặc điểm giao diện. Tín dụng: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4
Các nhà nghiên cứu, những người có sáng kiến trước đây bao gồm kết hợp một lớp perovskite cho phép tạo ra một loại điốt phát sáng (LED) phân cực mới phát ra các photon điều khiển spin ở nhiệt độ phòng mà không cần sử dụng từ trường hoặc tiếp xúc sắt từ, hiện đã tiến thêm một bước nữa bằng cách tích hợp cấu trúc quang điện tử bán dẫn III-V với chất bán dẫn perovskite halide quang học.
Nghĩa là, họ đã biến đổi một đèn LED thương mại hiện có thành một đèn LED cũng có thể điều khiển sự quay của electron. Kết quả cung cấp một con đường hướng đến việc chuyển đổi quang điện tử hiện đại, một lĩnh vực dựa trên việc điều khiển ánh sáng và bao gồm đèn LED, pin mặt trời và laser viễn thông, cùng với các thiết bị khác.
Matthew Beard, nghiên cứu viên cao cấp tại NREL và là đồng tác giả của bài báo trên tạp chí Nature có tựa đề "Phun spin ở nhiệt độ phòng qua giao diện chiral-perovskite/III-V" cho biết: "Tùy thuộc vào trí tưởng tượng của mỗi người về nơi điều này có thể diễn ra hoặc kết thúc".
Beard cũng là giám đốc của Trung tâm bán dẫn vô cơ hữu cơ lai cho năng lượng (CHOISE). Nghiên cứu dựa trên nhiều chuyên môn khoa học từ NREL, Trường Mỏ Colorado, Đại học Utah, Đại học Colorado Boulder và Đại học Lorraine ở Pháp.
Mục tiêu của CHOISE là hiểu được cách kiểm soát sự chuyển đổi qua lại giữa điện tích, spin và ánh sáng bằng cách sử dụng các hệ thống hóa học được thiết kế cẩn thận. Đặc biệt, công trình tập trung vào việc kiểm soát spin electron có thể "lên" hoặc "xuống".
Hầu hết các thiết bị quang điện tử hiện nay đều dựa vào sự chuyển đổi qua lại giữa điện tích và ánh sáng. Tuy nhiên, spin là một đặc tính khác của electron và việc kiểm soát spin có thể tạo ra vô số hiệu ứng và chức năng mới. Các nhà nghiên cứu đã công bố một bài báo vào năm 2021, trong đó họ báo cáo cách sử dụng hai lớp perovskite khác nhau để kiểm soát spin bằng cách tạo ra một bộ lọc chặn các electron "quay" theo hướng sai.
Vào thời điểm đó, họ đưa ra giả thuyết rằng có thể đạt được những tiến bộ trong quang điện tử nếu họ có thể kết hợp thành công hai chất bán dẫn, và sau đó tiếp tục thực hiện điều đó. Những đột phá đã đạt được, bao gồm việc loại bỏ nhu cầu về nhiệt độ dưới 0 độ C, có thể được sử dụng để tăng tốc độ xử lý dữ liệu và giảm lượng điện năng cần thiết.
"Hầu hết các công nghệ hiện nay đều dựa trên việc kiểm soát điện tích", Beard nói. "Hầu hết mọi người chỉ quên mất spin electron, nhưng spin rất quan trọng và đó cũng là một thông số khác mà người ta có thể kiểm soát và sử dụng".
Việc điều khiển spin của electron trong chất bán dẫn trước đây đòi hỏi phải sử dụng các tiếp điểm sắt từ dưới một từ trường được áp dụng. Sử dụng perovskite chiral, các nhà nghiên cứu đã có thể biến đổi một đèn LED thành một đèn phát ra ánh sáng phân cực ở nhiệt độ phòng và không có từ trường. Chirality đề cập đến cấu trúc của vật liệu không thể chồng lên ảnh phản chiếu của nó, chẳng hạn như bàn tay.
Ví dụ, một hệ thống định hướng "trái" có thể cho phép vận chuyển các electron có spin "lên" nhưng chặn các electron có spin "xuống" và ngược lại. Sau đó, spin của electron được chuyển đổi thành "spin" hoặc phân cực của ánh sáng phát ra.
Mức độ phân cực, đo cường độ ánh sáng bị phân cực theo một hướng, đạt khoảng 2,6% trong nghiên cứu trước đó. Việc bổ sung chất bán dẫn III–V—được làm từ vật liệu ở cột thứ ba và thứ năm của bảng tuần hoàn—đã tăng mức độ phân cực lên khoảng 15%. Mức độ phân cực đóng vai trò là phép đo trực tiếp về sự tích tụ spin trong đèn LED.
"Công trình này đặc biệt thú vị với tôi vì nó kết hợp chức năng quay với nền tảng LED truyền thống", tác giả đầu tiên của công trình, Matthew Hautzinger, cho biết.
"Bạn có thể mua một đèn LED tương tự như loại chúng tôi đã dùng với giá 14 xu, nhưng khi kết hợp với perovskite quang học, chúng tôi đã biến một công nghệ vốn đã mạnh mẽ (và được hiểu rõ) thành một thiết bị điều khiển spin mang tính tương lai."
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
