《Nature Communications》：Precision engineering chiral interfaces for efficient spin injection in metal halide heterostructures
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为解决自旋电子学中高效自旋注入界面构筑的关键难题，研究人员通过界面手性诱导生长策略合成螺旋结构PbI2(R-PbI2)，构建了晶格失配小、残余应变和缺陷密度最优化的手性界面。该结构使得自旋注入效率高达68%，光电流偏振度达29%，为先进光自旋电子学应用中的自旋动力学调控与高自旋极化提供了新途径。
在光自旋电子学这个前沿领域，科学家们一直梦想着能像操控电流一样，精准地操控电子的“自旋”——一种类似电子内禀角动量的量子属性。若能实现高效的自旋产生、传输与探测，将有望催生出能耗更低、速度更快的新一代信息技术器件。然而，梦想照进现实的道路上，横亘着一道关键的障碍：如何在不同材料构成的异质结界面，高效地将自旋“注入”进去？这好比在两个性格迥异的房间之间开一扇门，不仅要求门开得顺畅（低能量损耗），还得保证通过门的“访客”（自旋）保持其原有的“旋转方向”（自旋极化状态）。传统的界面往往因晶格不匹配而产生大量缺陷和应变，这些“路障”会严重散射和耗散自旋，导致注入效率低下，成为制约高性能自旋光电器件发展的瓶颈。
针对这一核心挑战，一篇发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究带来了突破性的解决方案。研究团队独辟蹊径，将“手性”——即像左右手一样镜像对称但不能重合的特性——引入到金属卤化物钙钛矿异质结的界面工程中。他们提出并实现了一种全新的策略：在异质结界面处，通过手性诱导生长，精准合成出一种具有螺旋结构的碘化铅（PbI2）薄层，并将其命名为 R-PbI2。这项研究的关键在于，这个仅有几纳米厚的“手性缓冲层”，巧妙地弥合了相邻材料层之间的晶格鸿沟。具体而言，它与相邻的手性钙钛矿层（R-NEAPbI3，其中 R-NEA 代表 R-1-(1-萘基)乙胺）以及普通的 PbI2层都具有更低的晶格失配。这一精妙设计，相当于在两个原本难以直接“握手”的材料之间，插入了一个高度兼容的“适配器”，从而构建出一个最优化的手性界面，最大程度地减少了界面处的残余应变和缺陷密度。
为了验证这一手性界面工程的卓越效果，研究人员综合运用了多项先进的光谱与电学测量技术。他们通过圆偏振泵浦-探测光谱技术，深入探究了材料内部的超快自旋动力学过程；同时，利用自旋光伏测量，直接评估了器件在光照下产生自旋极化电流的性能。实验结果令人振奋：得益于这种精准构筑的手性异质结界面，自旋注入效率飙升至68%，由此产生的光电流其偏振度也达到了29%的高水平。这些数据明确揭示了，通过引入手性来精细调控界面结构，能够极大地促进自旋的有效注入与保持，为获得高度极化的自旋流提供了切实可行的路径。
主要关键技术方法
本研究主要结合了材料合成、界面表征与光电测量技术。通过界面手性诱导生长法精准合成R-PbI2手性层。利用圆偏振泵浦-探测光谱学分析超快自旋动力学。采用自旋光伏测量技术量化器件的自旋注入效率与光电流偏振度。通过结构表征（如X射线衍射等）确认界面晶体结构与晶格匹配情况。
研究结果
手性界面的精准合成与结构表征
研究团队成功在异质结界面处通过手性分子诱导，生长出螺旋结构的 R-PbI2薄层。结构分析表明，该手性层作为缓冲层，有效降低了与上下相邻层（R-NEAPbI3和 PbI2）的晶格失配，从而构建出应变和缺陷最小化的高质量手性界面。
优异的自旋注入与传输性能
通过圆偏振泵浦-探测光谱测量，研究人员观察到在手性异质结构中，自旋寿命显著延长，表明界面非辐射复合和自旋散射被有效抑制。自旋光伏测量直接证明，该手性界面实现了高达68%的自旋注入效率。
高效的光电流自旋极化
基于高效的自旋注入，器件在光照下产生了高度极化的光电流。测量结果显示，光电流的偏振度达到29%，显著高于基于非手性或普通界面的对照器件，证明了手性界面在产生自旋极化光生载流子方面的关键作用。
结论与讨论
这项研究成功展示了一种通过精准界面手性工程来极大提升金属卤化物异质结中自旋注入效率的创新策略。核心结论是：在异质结界面引入一个精心设计的手性 PbI2缓冲层，可以同时优化晶格匹配与界面质量，从而最小化应变和缺陷对自旋的散射。这不仅直接导致了破纪录的高自旋注入效率（68%）和高偏振度光电流（29%），更重要的是，它为解决长期存在的自旋注入瓶颈问题提供了一个普适性的材料工程学思路。
研究的意义深远。首先，它超越了传统上专注于体材料或单一组分优化的思路，将性能突破的关键聚焦于“界面”这一微观尺度，凸显了界面工程在自旋电子学中的决定性作用。其次，它将“手性”这一在化学和生命科学中常见的概念，创造性地应用于无机半导体异质结的物理性能调控，实现了跨学科的融合创新。最后，该项工作所实现的高效自旋注入与极化，为开发基于金属卤化物钙钛矿等新兴材料的新型自旋光源、自旋光伏器件以及低功耗自旋逻辑电路奠定了坚实的材料基础，有力推动了先进光自旋电子学领域向实际应用迈进。
