近日，南方科技大学陈熹翰副教授团队报道了在Dion-Jacobson（DJ）相二维钙钛矿的自旋动力学弛豫机制的转变。相关成果以“Tuning Spin Polarized Lifetime at High Carrier Density Through Deformation Potential in Dion-Jacobson Phase Perovskites”为题发表于Journal of the American Chemical Society期刊上。

在自旋电子学中，寻找良好的自旋电子材料的重点是研究具有长自旋极化时间的半导体。自旋弛豫机制的控制对于自旋电子学应用和基础研究至关重要。二维钙钛矿材料具有丰富的光学自旋物理特性，能通过有效利用自旋自由度来超越传统基于电荷的器件，在自旋电子学应用中展现了巨大潜力。然而，由于强烈的自旋轨道耦合，这些材料出现了一个重大挑战，导致在高载流子密度下，D'yakonov-Perel'散射和Bir-Aronov-Pikus自旋弛豫机制导致极短的自旋寿命。自旋弛豫机制的控制对自旋电子学的应用和基础研究具有重要意义。因此，需要其他有效的途径来调控自旋弛豫机制。

在该研究中，研究人员揭示了由中性杂质和极性光学声子共同主导的动量散射机制，增大材料的形变势能将引起更强的激子-晶格耦合作用，可以有效调控主导散射机制从而抑制自旋弛豫，特别是在无机层数更高的结构中。研究强调了激子极化子效应在调节主导激子弛豫机制方面的作用，展示了DJ相钙钛矿在自旋电子学应用中的潜力。

本项工作研究的体系是DJ相(3AMP)(MA)n−1PbnI3n+1（3AMP = 3-(aminomethyl)piperidinium, n=1-4），这样的结构就像由有机层和无机层组成的天然量子阱结构。通过改变无机层的数量可以调节带隙和激子结合能。

图1 (3AMP)(MA)n−1PbnI3n+1二维钙钛矿晶体结构，XRD图谱和吸收光谱

本研究采用的是基于pump-probe超快激光的瞬态反射测试系统。测试方法如图2所示，根据光学跃迁选择定则，通过超快圆偏振光选择性激发单种纯自旋态，并利用具有相同或相反圆偏振的飞秒激光探测自旋极化信号的衰减或增长，以此获得自旋弛豫动力学。

图2 自旋弛豫动力学

该研究还阐明了中性杂质和极性光学声子对自旋弛豫机制的不同影响。n=1和n=2样品中，中性杂质缺乏库仑势，导致较弱的动量散射，在低激发浓度下自旋弛豫速率保持不变，直到载流子浓度接近1018 cm-3，极性光学声子开始发挥作用，促进自旋弛豫速率增大。而n=3和n=4样品的自旋弛豫速率则表现出异常的载流子浓度依赖性，呈现了中性杂质和极性光学声子共同作用的混合动量散射机制，并且在这种混合散射机制主导下，对自旋去极化有显著的抑制作用。

图3 载流子浓度对自旋弛豫寿命的影响

强电子-声子相互作用通常被认为是卤化物钙钛矿独特电学性质的起源。为了获得样品的电声耦合强度，需要测试不同样品的形变势能。由pump光对样品表面将进行激发，由于光子能量大于带隙能量，因此可以激发出电子-空穴对，经“电子-声子”的耦合作用，产生沿层间传播的相干声学声子，声子的传播导致晶格和折射率发生局部畸变。研究者发现不同的无机层数对样品的声子振荡行为产生巨大的影响，而这主要是关联到无机层的畸变，无机层畸变越大，形变势能越大，电声耦合作用增强从而诱导极化子的形成。这些发现从激子-晶格动力学的角度加深了有机阳离子和层数调控对其结构和电学性质影响的理解，为后续开发自旋电子学材料提供了一些思路。

图4 相干声学声子信号和形变势能

南方科技大学机械与能源工程系博士生黄玉玲、化学系博士生陈丛丛为该论文的共同第一作者，陈熹翰副教授和化学系毛陵玲副教授为该论文的共同通讯作者，南方科技大学为该论文的唯一单位。该研究得到国家自然科学基金，广东省自然科学基金，广东省教育厅和深圳市科创委的大力支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c03532