北京
图1.激子–激子相互作用调控示意图。(a)连续发光网络中激子相互作用较强;(b)分隔的发光单元可减弱激子相互作用并降低自旋极化损失。
近日，武汉大学电气与自动化学院、电网环境保护全国重点实验室教授侯绍聪研究团队在高亮度自旋发光二极管方向的研究取得新进展，相关研究成果以“Manipulating spin dynamics via exciton–exciton interactions for bright spin light-emitting diodes”为标题。发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)国际学术期刊上。
自旋发光二极管在新一代光电子器件、自旋光子学和信息通信等领域具有重要应用前景。然而，在室温条件下，由于自旋翻转过程较快，自旋极化容易衰减，自旋信息也随之丢失，器件难以同时实现高偏振、高亮度和长寿命，这成为制约其实际应用的关键瓶颈。
针对这一难题，侯绍聪团队构筑了一种具有空间分隔发光单元的杂化手性金属卤化物异质结构。该结构利用宽带隙手性自旋注入材料，将原本连续分布的发光区域分割成多个相互隔离的小区域(图1)。相比传统结构，空间隔离能够降低高激发条件下激子之间的碰撞和相互作用，减少自旋信息在发光过程中的损失，从而有效保持自旋极化。这一设计突破了传统自旋发光器件中亮度与自旋保持能力难以兼顾的瓶颈。研究发现，该结构能够抑制自旋翻转速率随激发强度升高而快速增加，将自旋弛豫时间延长至纳秒量级，同时保持较高的发光效率。
研究团队进一步揭示了器件工作过程中自旋信息保持与损失的动力学机制，阐明了激子相互作用对自旋保持能力的影响，为高亮度条件下维持稳定偏振发光提供了理论依据。基于该异质结构制备的自旋发光二极管实现了13,084 cd m-2的圆偏振电致发光亮度，最大电致发光不对称因子达到0.2;在初始亮度为100 cd m-2时，外推半衰寿命超过5,000小时。相比已报道自旋发光器件，该器件在亮度、偏振性能和运行稳定性方面均实现显著提升(图2)。这项工作建立了激子相互作用与自旋动力学之间的内在联系，为实现兼具高亮度、高偏振度和长寿命的自旋发光器件提供了新的设计思路，也为下一代显示技术和量子技术的发展提供了新的可能。
图2.高性能自旋发光二极管的性能突破。(a)器件实现高亮度、高偏振度的圆偏振电致发光;(b)器件运行稳定性及与已报道自旋发光器件的寿命对比;(c)器件圆偏振电致发光亮度与已报道圆偏振电致发光器件的性能对比。
武汉大学电气与自动化学院博士研究生刘 奇、王炎龙为共同第一作者，侯绍聪为通讯作者。
该工作得到了国家自然科学基金、武汉大学科研公共服务条件平台、电网环境保护全国重点实验室等支持。
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