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具有手性自旋织构的二维混合有机-无机钙钛矿是新兴的自旋光电材料。尽管对这些材料进行了大量的自旋光学研究，但它们的电荷-自旋转换效率尚不清楚。 在此，新加坡国立大学Kian Ping Loh（罗健平）教授，Hyunsoo Yang教授和香港理工大学殷骏助理教授等人展示了对映纯手性钙钛矿 (R/S-MB)2(MA)3Pb4I13 （〈n〉= 4）中的高效电驱动电荷-自旋转换，其中MB是2-甲基丁胺，MA是甲胺，Pb是铅，I是碘。同时，利用扫描光电压显微镜，测得〈n〉= 4 手性钙钛矿在室温下的自旋霍尔角θsh为5%，自旋寿命约为75皮秒。除了电流引起的横向自旋电流外，同时存在的平面外自旋电流证实了这些低维晶体中同时存在常规和共线自旋霍尔电导率。 相关文章以“Two-dimensional chiral perovskites with large spin Hall angle and collinear spin Hall conductivity”为题发表在Science上。值得注意的是，这篇Science于2024年4月26日投稿，2024年6月10日接受，中间仅隔44天！ 同时，2024年4月4日，香港理工大学Kian Ping Loh（罗健平）讲席教授，冷凯助理教授，殷骏助理教授、南方科技大学物理系林君浩副教授等人在Science期刊发表题为“Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites”的研究论文！ 【研究背景】 二维（2D）Ruddlesden-Popper钙钛矿（RPP）因其大自旋轨道（SO）耦合和手性诱导的自旋选择性而成为光电应用的自旋极化材料。有机阳离子和无机阴离子笼的交替层产生多个量子阱，其组成可以用化学计量公式（RNH）来描述。2D RPP中的大SO耦合允许使用圆偏振光对自旋偏振载流子进行光学激发。2D RPP中SO相互作用的强度可以通过选择不同的有机配体来调节。例如，手性有机分子的存在允许手性通过空间或电子相互作用（如不对称氢键相互作用、偶极相互作用和轨道混合）转移到无机晶格，从而破坏反转对称性并诱导大的 Rashba-Dresselhaus SO场。这种手性晶体缺乏镜像对称性，这种非中心对称结构产生了独特的电子能带结构和自旋纹理，这反过来又影响了自旋霍尔效应（SHE），其中自旋被传输并积累在携带电流的样品的相反表面上。晶体的手性与SO耦合之间的相互作用导致了有趣的自旋输运现象，这些现象在自旋电子学和量子计算中具有潜在的应用。 在强SO耦合带中移动的电荷载流子会经历有效的磁场，该磁场会导致自旋相关的偏转，从而产生自旋电流。电荷到自旋的转换可以通过SHE以及Rashba-Edelstein效应发生 。在传统的SHE中，作用在载流子上的相对论性SO力会产生有限的自旋电流，该自旋电流在电荷电流的横向方向上出现。与Rashba-Dresselhaus效应相关的SO相互作用源于原子位点的偶极子场和反演不对称性。这些诱导的SO场具有共同的相对论起源，这使得通过实验来解开它们在电荷-自旋转换中的贡献具有挑战性。在低对称性晶体中，这些效应的相互作用可以改变自旋纹理，并诱导电荷-自旋转换的非常规构型。 【主要内容】 鉴于随着量子阱宽度的增加，高〈n〉RPP同系物的带隙减小趋势，本文合成了相纯二维RPP晶体(R/S-MB)2(MA)3Pb4I13 （〈n〉= 4）（其中 MB 是 2-甲基丁胺，MA 是甲胺），通过扫描光电压显微镜研究电流诱导的自旋极化。 剥落的薄片通过常规（垂直）和非常规（共线）自旋极化支持电荷到自旋转换，以分别产生具有面内和面外自旋极化的自旋霍尔电导率 （SHC）分量。SO耦合，自旋寿命（τs），以及 θ 的大小与外消旋S/R晶体相比，手性S/R-RPP 晶体增强。 同时，发现θsh与S和R对映异构体具有相反的符号，这是从有机到无机亚晶格的手性转移的标志。此外，与大多数仅表现出面内自旋极化的纯Rashba半导体不同，实验和密度泛函理论（DFT）计算都揭示了这些晶体中的面外自旋极化。 RPP合成和表征 高质量毫米级(R/S-MB)2(MA)3Pb4I13（〈n〉= 4）使用降温结晶法合成晶体。图1示意性地显示了不同晶体的构型，将晶体剥离成薄片，并转移到石英基板上进行光学表征，并转移到预图案化的金电极上进行光自旋电子学测量。手性有机分子使S-RPP晶体的非中心对称P1空间群（SG 1）不对称，使R-RPP晶体的P21空间群（SG 4）不对称。通过吸收和PL测量证实了生长晶体的单相纯度，显示<为10nm的小Stokes位移。吸收测量结果表明，该晶体的带隙~值为1.92eV。
图1：分子结构设计。 电流诱导自旋累积 通过对称性分析可以确定对称性降低的手性晶体的SHC张量的允许分量。同时使用扫描光电压显微镜对室温下电流引起的自旋积累进行成像，在设备（图2A）中，施加了直流电压，为了探测自旋群体，扫描了垂直入射到钙钛矿片表面的CP激光束。在具有平面内自旋纹理的SHE或Rashba-Edelstein效应的情况下，动量守恒禁止了正常入射光的角动量的光学诱导传递。因此，只有当自旋纹理中存在面外自旋分量时，正常入射光才会产生螺旋度相关的光电压（HDP）。为了测量没有背景光热或光伏噪声的HDP信号，通常存在于传统的圆形光电技术中，使用光弹性调制器在固定频率下调制螺旋度而不是激光的强度。然后使用锁相技术收集HDP信号，该信号显示为调制偏振相关光电压的一次谐波。在存在电偏置的情况下，电流感应的面外自旋以相反的螺旋度积聚在器件通道的两个边缘附近。自旋累积的存在产生了非零HDP信号，其中 VLCP系列和 VRCP公司是左圆偏振（LCP）和右圆偏振 （RCP）光产生的光电压。
图2：单晶中电流诱导的自旋积累。 〈n〉= 4 手性S-RPP器件的边缘和表面自旋累积信号随偏置电压幅度的增加呈线性增加（图3A）。在没有偏置电压的情况下，观察到可忽略不计的HDP信号，这意味着自旋信号是电流感应自旋极化的结果。在室温下进行Hanle自旋进动实验，以评估〈n〉= 4 手性S-RPP器件的自旋动力学，其中向RPP器件施加面内磁场。
图3：单晶中电流诱导自旋积累的表征。
图4：电流诱导自旋积累的表征。
图5：DFT计算。 【结论展望】 综上所述，本文在Rashba-Dresselhaus自旋分裂的背景下，表明手性在决定SO耦合的强度和方向方面起着至关重要的作用。从有机到无机亚晶格的手性转移降低了晶体的体对称性，并在相对论哈密顿量中引入了组合的Rashba-Dresselhaus SO项，观察到SO耦合中的体面内各向异性和不寻常的自旋依赖性传输特性，例如具有面外自旋极化的非常规SHE。通过手性转移了解和利用这种手性晶体中的SHE，对于开发新的电子和自旋电子器件具有重要意义。 【文献信息】 Ibrahim Abdelwahab†, Dushyant Kumar†, Tieyuan Bian†, Haining Zheng, Heng Gao, Fanrui Hu, Arthur McClelland, Kai Leng, William L. Wilson, Jun Yin*, Hyunsoo Yang *, Kian Ping Loh*, Two-dimensional chiral perovskites with large spin Hall angle and collinear spin Hall conductivity, Science https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0967 来源：微算云平台 | 
