隨著微電子與信息技術(shù)向大容量、低功耗、集成化、智能化方向發(fā)展，多材料混合集成和多參量功能調(diào)控已成為自旋電子領(lǐng)域的主流方向。鐵磁材料作為新型多功能材料，可實現(xiàn)多物理場協(xié)同調(diào)控磁性，以解決自旋電子器件中的高功耗、體積大和響應(yīng)慢的問題，成為當(dāng)前研究熱點。西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授團隊針對自旋電子器件中多材料混合集成及功能互調(diào)這一關(guān)鍵科學(xué)問題，創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種全新的光伏/鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Advanced Science, 6(24), 1901994 (2019))。該結(jié)構(gòu)通過可見光誘導(dǎo)面電荷積聚來調(diào)控界面磁性，實現(xiàn)了光-電-磁耦合調(diào)控?？梢姽鈱Υ判缘恼{(diào)控能力依賴于界面電子密度，而界面電子密度又與光伏層的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)密切相關(guān)。因此，構(gòu)建具有更高PCE的光伏層成為關(guān)鍵。

針對這一問題，劉明教授團隊進一步開發(fā)了基于鈣鈦礦量子點混合界面結(jié)構(gòu)(PQDs-HIA)的光伏/鐵磁異質(zhì)結(jié)：Si/SiO2/Ta/FeGaB/PC71BM/ PC71BM@ CsPbI3 QDs/ CsPbI3 QDs/ PTB7-Th)/Pt。非晶FeGaB薄膜具有低矯頑力場、窄鐵磁共振線寬和高飽和磁致伸縮系數(shù)等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于磁電傳感和射頻/微波可調(diào)諧器件領(lǐng)域。通過振動樣品磁強計表征了可見光對飽和磁化強度(Ms)的調(diào)控，F(xiàn)eGaB的Ms降低了27%，而對照組器件(Si/SiO2/Ta/FeGaB/ PTB7-Th: PC71BM /Pt)僅降低了9%。依據(jù)第一性原理計算及X射線磁圓二色譜測試結(jié)果可知，飽和磁化強度的降低主要歸因于光生電子占據(jù)了磁性材料的未占據(jù)軌道(Advanced Science, 6(24), 1901994 (2019)；Small, 19(28), 2301955 (2023))。界面電荷密度的提升源于CsPbI3量子點在可見光下受激發(fā)形成激子，將PC71BM混合進CsPbI? QDs層中以實現(xiàn)激子級聯(lián)，既促進了有效的電荷轉(zhuǎn)移和激子解離。此外，雜化膜中的缺陷密度降低，減少了載流子的復(fù)合。因此，與PTB7-Th: PC71BM系統(tǒng)相比，PQDs-HIA系統(tǒng)可以向磁性層提供更多的光生電子來改變磁性。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖與磁滯回線原位測試圖

進一步，通過原位電子自旋共振定量表征了可見光調(diào)控磁各向異性變化，與對照組器件相比，可見光調(diào)控鐵磁共振場有了數(shù)量級的提高。并且PQDs-HIA /FeGaB薄膜在光照下面內(nèi)鐵磁共振場增大，面外鐵磁共振場減小，表明其各向異性減弱。另外，在光開關(guān)切換過程中，鐵磁共振場會隨光強變化呈現(xiàn)規(guī)律性數(shù)值變化，展示出磁性的光伏控制具有良好的回復(fù)性。PQDs-HIA策略為實現(xiàn)低能耗、先進性能的光伏自旋電子學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 可見光調(diào)控磁性膜鐵磁共振場的角度依賴性

成果以“Efficient Magnetism Controlled by Visible Light Using Perovskite Quantum Dots with Hybrid Interface Architecture”為題，近日在國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)（IF=19.6）上在線發(fā)表。西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生趙夢為第一作者，西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授、儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙一凡副教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點項目、陜西省高校聯(lián)合重點研發(fā)項目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。