חוקרים ב-NREL פיתחו סוג חדש של LED השולט בספין האלקטרונים ופולט אור מקוטב בטמפרטורת החדר על ידי שילוב פרוסקיט כירלי עם מוליך למחצה III-V, מה שעשוי לחולל מהפכה בתחום האופטואלקטרוניקה. קרדיט: twoday.co.il.com
מדעני NREL פיתחו LED מבוקר ספין באמצעות מוליכים למחצה III-V ופרוסקיט הליד כיראלי, משפרים את האופטואלקטרוניקה על ידי הגדלת מהירויות הנתונים והפחתת צריכת החשמל, במימון CHOISE.
מדענים במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) של משרד האנרגיה האמריקני (DOE) הובילו מאמץ מחקר שהביא להתקדמות שיכולה לאפשר מגוון רחב יותר של מכשירים אופטואלקטרוניים בלתי נתפסים כיום.
החוקרים, שהחידוש הקודם שלהם כלל שילוב שכבת פרובסקיט שאפשרה יצירת סוג חדש של דיודה פולטת אור מקוטב (LED) הפולטת פוטונים נשלטי ספין בטמפרטורת החדר ללא שימוש בשדות מגנטיים או במגעים פרומגנטיים, נעלמו כעת. צעד קדימה על ידי שילוב של מבנה אופטו-אלקטרוניקי של מוליכים למחצה III-V עם מוליך למחצה הליד פרוסקיט כיראלי. כלומר, הם הפכו LED ממוסחר קיים לכזה ששולט גם בספין של אלקטרונים. התוצאות מספקות מסלול לשינוי אופטו-אלקטרוניקה מודרנית, תחום המסתמך על שליטה באור וכולל בין השאר נורות LED, תאים סולאריים ולייזרי תקשורת.
השלכות המחקר
"זה תלוי בדמיון של האדם לאן זה עלול להגיע או לאן זה עלול להיגמר", אמר מתיו בירד, עמית מחקר בכיר ב-NREL ומחבר שותף של הספר החדש שפורסם. טֶבַע מאמר.
בירד משמש גם כמנהל המרכז למוליכים למחצה אורגניים היברידיים אורגניים לאנרגיה (CHOISE), מרכז מחקר גבול אנרגטי הממומן על ידי המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים בתוך DOE. המחקר המדווח מומן על ידי CHOISE והסתמך על מגוון רחב של מומחיות מדעית שנלקחה מ-NREL, בית הספר לקולורדו למכרות, אוניברסיטת יוטה, אוניברסיטת קולורדו בולדר ואוניברסיטת לוריין בצרפת.
מטרות של CHOISE
המטרה של CHOISE היא להבין שליטה על ההמרה ההדדית של מטען, ספין ואור באמצעות מערכות כימיות שתוכננו בקפידה. בפרט, העבודה מתמקדת בשליטה על ספין האלקטרונים שיכול להיות "למעלה" או "למטה". רוב המכשירים האופטו-אלקטרוניים כיום מסתמכים על ההמרה ההדדית בין מטען לאור. עם זאת, ספין הוא תכונה נוספת של אלקטרונים, ושליטה על הספין יכולה לאפשר שפע רחב של אפקטים ופונקציונליות חדשים. החוקרים פרסמו מאמר בשנת 2021 בו דיווחו כיצד באמצעות שתי שכבות פרוסקיט שונות הם הצליחו לשלוט בספין על ידי יצירת מסנן שחוסם אלקטרונים "מסתובבים" בכיוון הלא נכון.
הם שיערו בזמנו שניתן לעשות התקדמות בתחום האופטו-אלקטרוניקה אם יצליחו לשלב את השניים מוליכים למחצה, ולאחר מכן המשיך לעשות בדיוק את זה. פריצות הדרך שנעשו, הכוללות ביטול הצורך בתת-אפס צֶלסִיוּס טמפרטורות, ניתן להשתמש כדי להגביר את מהירויות עיבוד הנתונים ולהקטין את כמות הכוח הדרושה.
"רוב הטכנולוגיות של היום מבוססות כולן על שליטה בטעינה", אמר בירד. "רוב האנשים פשוט שוכחים את ספין האלקטרונים, אבל הספין הוא מאוד חשוב, וזה גם פרמטר נוסף שאפשר לשלוט בו ולהשתמש בו."
מניפולציה של ספין של אלקטרונים במוליך למחצה הצריכה בעבר שימוש במגעים פרומגנטיים תחת שדה מגנטי מופעל. באמצעות פרוסקיטים כיראליים, החוקרים הצליחו להפוך נורית LED לכזו שפולטת אור מקוטב בטמפרטורת החדר וללא שדה מגנטי. כיראליות מתייחסת למבנה החומר שלא ניתן להצמידו על תמונת המראה שלו, כמו יד. לדוגמה, מערכת כיראלית מכוונת "יד שמאל" עשויה לאפשר הובלה של אלקטרונים עם ספינים "למעלה" אך לחסום אלקטרונים עם ספינים "למטה", ולהיפך. לאחר מכן, הספין של האלקטרון מומר ל"ספין", או לקיטוב, של האור הנפלט. מידת הקיטוב, המודדת את עוצמת האור שמקוטב בכיוון אחד, הגיעה במחקר הקודם לכ-2.6%. התוספת של המוליך למחצה III-V – העשוי מחומרים בעמודה השלישית והחמישית של הטבלה המחזורית – הגבירה את הקיטוב לכ-15%. מידת הקיטוב משמשת כמדד ישיר להצטברות ספין ב-LED.
"עבודה זו מרגשת אותי במיוחד, מכיוון שהיא משלבת פונקציונליות ספין עם פלטפורמת LED מסורתית", אמר המחבר הראשון של העבודה, מתיו האוצינגר. "אתה יכול לקנות LED מקביל למה שהשתמשנו בו תמורת 14 סנט, אבל עם שילוב הפרובסקיט הכיראלי, הפכנו טכנולוגיה חזקה כבר (ומובנת היטב) למכשיר בקרת ספין עתידני."
