CN106970476A - 杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用，解决了现有技术中磁光隔离器磁铁体积大导致器件总体积大，器件制备成本高，以及全光开关的开关速度较慢，难以达到皮秒量级的问题，采用杂化钙钛矿纳米材料制备的磁光隔离器无需外加磁场，磁场由光学取向的方法产生，器件体积小，适合光电器件的集成。制备的全光开关的响应速度为皮秒量级，具有高激光损伤阈值，全光开关可以适用于超强飞秒激光中。更重要的是，制备的全光自旋电子器件利用电子的量子特性，不会受到传统电子器件的缺陷约束。杂化钙钛矿纳米材料的成本低廉，大大降低了生产成本。

Description

杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用
技术领域
本发明涉及杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用，具体涉及半导体材料杂化钙钛矿纳米材料在制备磁光隔离器和超快光开关中的应用。
背景技术
随着科学技术的发展，电路集成度不断提高，运行速度不断加快，以原子荷电性为基础的硅基传统电子器件的缺陷越来越明显，目前已经严重阻碍了电子器件的发展。半导体自旋电子学的目的就是利用粒子(电子、空穴、激子等)的自旋特性替代或者结合荷电性制备自旋电子器件，与传统电子器件相比，自旋电子器件具有运行速度高，损耗低，适于集成等优点。
目前，磁光隔离器的工作原理是法拉第旋转效应，即在沿光传播方向磁场的作用下，线偏振光通过磁光晶体时，其偏振方向会发生旋转，这种偏振面旋转现象叫磁致旋光效应，旋转角的大小称作法拉第旋转角，其旋转大小与磁场强度、晶体长度和晶体的维尔德常数成正比。采用合适的参数使得光学元件表面反射光的偏振面与入射光正交，从而不能顺利通过光路传播。其中，磁场在磁致旋光效应中起着决定性作用。为了达到阻断光路所需要的旋转角，要求磁场强度高，相应的磁铁体积大，因而器件的总体积就较大，不利于集成电路的发展。而且目前光隔离器主要利用掺杂稀土元素材料，制备成本较高。现在互联网的节点上信息交换速度达到太比特每秒(TB/s)的量级，相应的也要求开关速度必须达到皮秒量级，而传统光开关的开关速度难以满足该要求。
综上所述，现有技术中磁光隔离器磁铁体积大导致器件总体积大，器件制备成本高，以及全光开关的开关速度较慢，难以达到皮秒量级的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用。采用杂化钙钛矿纳米材料制备的磁光隔离器无需外加磁场，磁场由光学取向的方法产生，器件体积小，适合光电器件的集成。制备的全光开关的响应速度为皮秒量级，具有高激光损伤阈值，全光开关可以适用于超强飞秒激光中。更重要的是，制备的全光自旋电子器件利用电子的量子特性，不会受到传统电子器件的缺陷约束。另外，杂化钙钛矿纳米材料的成本低廉，大大降低了生产成本。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用。
杂化钙钛矿纳米材料薄膜在制备磁光隔离器中的应用，所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机材料Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式。
进一步的，所述杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。薄膜太厚可能不透光，需要测量反射光谱，如果太薄，信号太小，探测困难。做成器件的话，要视实际情况决定，测过的最大厚度为200nm。
一种磁光隔离器，由杂化钙钛矿纳米材料制备而成，所述杂化钙钛矿纳米材料为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式，杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
进一步的，所述磁光隔离器的法拉第旋转角为20-60°/μm。旋转角的大小与薄膜厚度，激发光波长和强度均有关，测过的最大值可以达到60°/μm。
杂化钙钛矿材料薄膜在制备全光开关中的应用，所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式。
进一步的，所述杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
进一步的，所述杂化钙钛矿纳米材料薄膜中Br、Cl和I元素的摩尔比例不同，带隙不同，适用的波长范围也不同。纯Cl最大值在400nm，纯Br最大值在510nm，纯I最大值在780nm，通过混合，适用范围可以跨越400-780nm。
可以调节卤族元素Br、Cl和I的混合比例，使得全光开关的适用波长范围为紫外、可见和近红外区域，激发功率范围为0.8-100μJ/cm2内，可以保证薄膜样品不被损坏。
一种全光开关，由杂化钙钛矿纳米材料制备而成，所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式，杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
进一步的，所述全光开关的切换速度为皮秒或亚皮秒量级，误差小于3％。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明中杂化钙钛矿材料制备的全光磁开关切换速度快，为皮秒或者亚皮秒量级，误差小于3％，完全满足现有的开关速度要求。
(2)杂化钙钛矿纳米材料制备的磁光隔离器具有超大的法拉第旋转角(20-60°/μm)，远超过相同厚度的传统半导体(CdSe量子点，350mdeg)、过渡金属(Bi3FeO12，6°/μm)以及略大于CH3NH3PbI3块体薄膜材料(10°/μm，温度为200K)。
(3)本发明中电子器件利用了粒子的自旋特性，避免了以核电性为基础的传统电子器件的缺陷；
(4)杂化钙钛矿薄膜材料制备简单，体积小，适用于大规模集成光通信网络中；
(5)杂化钙钛矿材料制备工艺简单，成本低廉，只有硅材料的1/5，大大降低制备成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1(a)是利用50飞秒右旋圆偏振激光脉冲测量的CH3NH3PbBr3量子点薄膜的时间分辨法拉第磁光响应曲线，横坐标表示延迟时间，纵坐标表示磁光响应强度。其中所用激发波长为510nm，激发光为右旋(σ+)圆偏振激光，激光强度为5.2μJ/cm2。图中(■)和(▲)线为实验直接测量的S和P偏振的数据，(●)线是S和P偏振曲线之差，表示法拉第旋转角，最大值为1.75°。
图1(b)中(▲)线和(■)线分别表示右旋(RCP)和左旋(LCP)圆偏振激光脉冲激发时的时间分辨法拉第旋转光谱，(●)线是二者的平均值，该激发强度下法拉第旋转角为1.75°。实线是利用单指数函数拟合的理论曲线，拟合时间常数为1.69±0.02ps。
图2(a)为不同抽运光通量；
图2(b)为不同激光脉冲波长下的法拉第旋转信号的旋转角度(●)和响应时间(■)与激发波长的关系图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
我们利用飞秒时间分辨光磁法拉第效应测量了CH3NH3PbBr3量子点薄膜的磁光响应光谱曲线，研究表明该类材料无需外加磁场便可产生超大的法拉第旋转角和快速的响应时间，是制备全光磁隔离器和全光磁开关自旋电子器件的优异材料。时间分辨法拉第旋转技术是研究材料自旋动力学的重要方法之一，原理是采用强圆偏振激光脉冲为抽运光照射材料，根据光学取向和角动量守恒原理，材料内部电子吸收光子后，被激发至导带，并呈现出一定自旋极化分布，使得材料内部产生一个超强的瞬态有效磁场，磁场强度为M＝χ[E(ω)×E(ω)*]，在脉冲宽度为100飞秒激光脉冲的作用下，晶体内部产生的瞬态磁场强度可以达到5T，利用另一束强度较弱的线偏振脉冲作为探测光，透过材料后其偏振面会发生偏转，即产生法拉第旋转。激光脉冲消失后，瞬态磁场也随即消失，极化电子便通过各种弛豫通道回到杂乱无章的状态，所需要的时间即为自旋的弛豫时间(即磁光效应的响应时间)。
1、CH3NH3PbBr3量子点薄膜的制备
本发明中CH3NH3PbBr3量子点薄膜制备简单，将已经商业化的CH3NH3PbBr3量子点甲苯溶液直接滴在清洗过的水平放置的1毫米厚的石英片上，然后放在70°热台上烘干即可，厚度约为100纳米，与溶液的浓度和滴加数量有关，可根据要求适当调节。
2、法拉第旋转角的测量
利用飞秒分辨法拉第旋转技术测量CH3NH3PbBr3量子点薄膜的旋转角和开关时间。所用激光器为Coherent公司生产的Libra再生放大器泵浦的光参量放大器(Opera SoloOPA)，激光器直接输出的激光为水平偏振的高斯型线偏振光。利用巴比涅-索列尔补偿器(或者1/4波片)将线偏振的抽运光变为圆偏振光，探测光为水平线偏振光。透射的探测光由1/2波片和沃拉斯顿棱镜分为正交的S和P偏振，两束光分别进入与锁相放大器相连接的差分探测器的两个探头，数据最终由电脑直接读取。所有的实验均在室温下进行。测量过程如下：
第一步：按照上述装置描述调好光路，使抽运光和探测光在样品的表面完全重合，通常抽运光的光斑尺寸略大于探测光，探测光光斑位于抽运光的中心，抽运光的强度远大于探测光；
第二步：挡住抽运光，把斩波器放到探测光路中，调节沃拉斯顿棱镜前的1/2波片，使得两个锁相放大器的读数相同，并记录每个锁相放大器的读数A1/2；
第三步：打开抽运光，把斩波器放到抽运光路中，利用光学延迟线逐渐改变抽运光和探测光的光程差，扫描法拉第旋转角随时间的演化，如图1(a)所示，记录零延迟时间即曲线的最大值的读数A2，利用A2/(2*A1)得到法拉第旋转角的大小，单位为弧度；图1(a)中，材料被圆偏振飞秒激光脉冲激发后，法拉第磁光信号迅速增加，在此激发强度下旋转角最大值为1.75°，如此大的法拉第旋转性能使得CH3NH3PbBr3量子点薄膜成为隔离器件的优异材料。
第四步：改变抽运光的旋转方向，重复步骤2-3，得到相反方向的法拉第旋转角，如图1(b)所示；图1(b)是左旋(LCP，■)和右旋(RCP，▲)圆偏振脉冲激光分别激发获得的时间分辨法拉第旋转光谱，二者大小几乎相等，但是旋转方向相反，说明激光脉冲的旋向决定了有效磁场的方向，从而进一步决定了法拉第旋转角的旋转方向。(●)线是二者的平均值。
第五步：改变激光波长和功率，重复步骤2-4，得到其他波长和功率的旋转角，如图2(a)和图2(b)所示。
3、全光开关时间的测量
全光开关时间的测量方案和法拉第旋转角相同，利用origin软件对上述时间分辨的法拉第旋转光谱进行处理，如图1(b)所示，实线是理论函数拟合得到，该光谱的拟合常数就是全光开关时间。所有的实验均在室温下进行。拟合函数已经考虑了所有仪器的响应时间σ，假设材料的弛豫过程按照单指数函数衰减，二者卷积得到
其中A为振幅，σ为所有仪器的响应函数，τ为材料的弛豫时间常数，即为全光开关的开关时间。如图2所示，图2(a)是不同激发强度下法拉第旋转角(●)和开关时间(■)，激发波长固定在510nm。我们可以看出法拉第旋转角随着激发强度的增加而增加，在低激发强度时，线性增加，但是达到一定程度后便缓慢增加，最后直至饱和值，～6°，旋转角的饱和说明量子点此时已经处于完全极化状态。而开关时间随着激发强度的增加持续缩短，从最初的3.4±0.1ps缩短至0.6±0.01ps。图2(b)是不同激发波长下法拉第旋转角(●)和开关时间(■)，激发强度为5.2μJ/cm2。可以看出法拉第旋转角在510nm时最大，使用范围从500nm到530nm，开关时间的变化不是很大，都在皮秒的量级。在研究范围内，钙钛矿量子点薄膜材料的所有开关时间均在皮秒和亚皮秒的响应范围，是超快光开关的良好材料。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.杂化钙钛矿纳米材料在制备全光自旋电子器件中的应用。
2.杂化钙钛矿纳米材料薄膜在制备磁光隔离器中的应用，其特征在于：所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机材料Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
4.一种磁光隔离器，其特征在于：由杂化钙钛矿纳米材料制备而成，所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式，杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
5.根据权利要求4所述的磁光隔离器，其特征在于：所述磁光隔离器的法拉第旋转角为20-60°/μm。
6.杂化钙钛矿材料薄膜在制备全光开关中的应用，所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
8.一种全光开关，其特征在于：由杂化钙钛矿纳米材料制备而成，所述杂化钙钛矿纳米材料结构为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、CH(NH2)2 +或全无机Cs+，B为Pb2+，X为Br-、Cl-和I-中的一种或多种的混合形式，杂化钙钛矿纳米材料薄膜的厚度为80-200nm。
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