有机无机杂化钙钛矿半导体中光激发态自旋的光学响应研究

The organic-inorganic hybrid perovskites have strong spin orbit coupling and long spin lifetime at the same time. Therefore, the hybrid perovskite have promise for potential application in spintronics. Current research on perovskites mainly focuses on the fabrication of photovoltaic cells and light-emitting diodes, as well as the related electronic states. On the other hand, both basic and applied researches related to the spin of electrons are still underway. The project plans to conduct researches on optical responses of spin of photoexcitations in several typical 3-D and 2-D perovskite films and devices, including 1) magnetic field effects on photoluminescence, photoinduced absorption as well as photocurrent, in order to explore the in-depth description of the electronic states and the photoelectric conversion mechanism; 2) the measurement of spin life time under a variety of conditions to understand the physical process of spin relaxation; 3) achieving the methods to manipulate spin states by exploring the process of spin injection using both circularly polarized light and spin polarized current and by comparing lifetimes of photoexcitations as well as their spin states with physical properties of materials. The proposed work will clarify the principle of spin manipulation and will achieve more complete description of electronic states in perovskite. Then our work supplies physical foundation for its application in spintronics.

有机无机杂化钙钛矿半导体同时具有强自旋轨道相互作用和长的电子自旋寿命，因此成为研究自旋电子学的重要材料。但在国内外广泛进行的钙钛矿材料和器件的工作中、针对与电子自旋相关联的基础和应用研究还较少。本项目拟主要采用光学方法，在几种典型的三维和二维钙钛矿半导体薄膜和器件中，开展针对光激发态的自旋的光学响应研究。包括 1）磁场对薄膜中发光、光致吸收、和器件中光电流等光激发过程的影响，以获得对电子自旋态和光电转换过程的完备描述；2）实施对不同温度、样品组分、形貌的三维和二维钙钛矿薄膜中、光激发态的自旋寿命的测量以理解自旋弛豫的物理机制；3）主要探索光注入、并对比电注入自旋极化电子的物理过程、结合激发态寿命、自旋寿命和材料物性的测量以获得对自旋态进行调控的实验方法。该项目研究及其成果将对厘清钙钛矿半导体中自旋调控的物理原理、实现其电子态的完整表述有重要意义，从而为开展相关自旋电子学研究提供物理基础。

有机无机杂化钙钛矿半导体同时具有强自旋轨道相互作用和长的电子自旋寿命，因此成为研究自旋电子学的重要材料。本项目采用光学方法，在几种典型的三维和二维钙钛矿半导体薄膜和器件中，开展针对光激发态的自旋的光学响应研究。内容包括，二维、准二维和三维钙钛矿光电材料的光稳定性、热稳定性、光学性质、光声相互作用、发光的磁场效应、自旋极化电子的光学注入和旋光测量；制备了基于准二维材料的光电器件，开展了光电流和电流的磁场效应研究。重要结果包括：1.强的电声相互作用可能是混合相(PEA)2(CH3NH3)2Pb3I10（PMPI3）二维钙钛矿薄膜可以作为光电材料的物理原因；2.适当添加醋酸甲基胺至制备准二维钙钛矿光电池的前驱液中，无需退火，即大幅增加光电转化效率 (最高达5.7%)，同时消除了电流电压曲线中的迟滞效应；3. 准二维钙钛矿(PEA)2(CH3NH3)n-1PbnI3n+1中，我们发现磁光效应和n有关，实验结果在n = 4的样品中，磁场对发光过程的影响最明显。4. 三维的钙钛矿MAPb(I0.5Br0.5)3薄膜发光的磁场效应，远大于MAPbI3和MAPbBr3薄膜。5. 在强光、或蓝紫光、或高温下，多相混合的(PEA)2(CH3NH3)2Pb3I10 薄膜中n = 1, 2, 3 材料会一起分解，而且分解过程可能是由晶体结构坍塌开始。6. 在作为参照物的有机光电材料的研究中，发现光生载流子的效率和激发光的光子能量有关，类似思路正在低维钙钛矿光电材料中进行实验验证。我们的实验结果对理解钙钛矿半导体光电转换的机理、自旋态的调控和实现其电子态的完整表述有重要意义，可能为将来开展相关自旋电子学研究提供物理基础. 已发表4篇SCI论文，其中一区3篇，二区1篇，待发表国内核心期刊1篇。已经毕业1博士2硕士，还有三位博士研究生，七位硕士研究生在读。