Terobosan Besar DOE Dapat Memungkinkan Perangkat Optoelektronik yang Saat Ini Tak Terbayangkan
Para peneliti di NREL telah mengembangkan jenis LED baru yang mengendalikan putaran elektron dan memancarkan cahaya terpolarisasi pada suhu ruangan dengan menggabungkan perovskit kiral dengan semikonduktor III-V, yang berpotensi merevolusi bidang optoelektronik. Kredit: SciTechDaily.com
Ilmuwan NREL mengembangkan LED yang dikendalikan putaran menggunakan semikonduktor III-V dan perovskit halida kiral, meningkatkan optoelektronik dengan meningkatkan kecepatan knowledge dan mengurangi penggunaan daya, yang didanai oleh CHOISE.
Para ilmuwan di Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (NREL) Departemen Energi Amerika Serikat (DOE) telah memimpin upaya penelitian yang menghasilkan kemajuan yang dapat memungkinkan berbagai perangkat optoelektronik yang saat ini tidak terbayangkan.
Para peneliti, yang inovasi sebelumnya mencakup penggabungan lapisan perovskit yang memungkinkan terciptanya jenis baru dioda pemancar cahaya (LED) terpolarisasi yang memancarkan foton yang dikendalikan spin pada suhu ruangan tanpa menggunakan medan magnet atau kontak feromagnetik, kini telah melangkah lebih jauh dengan mengintegrasikan struktur optoelektronik semikonduktor III-V dengan semikonduktor perovskit halida kiral. Artinya, mereka mengubah LED komersial yang ada menjadi LED yang juga mengendalikan spin elektron. Hasilnya memberikan jalur menuju transformasi optoelektronik trendy, bidang yang bergantung pada kendali cahaya dan mencakup LED, sel surya, dan laser telekomunikasi, di antara perangkat lainnya.
Implikasi Penelitian
“Tergantung pada imajinasi kita ke mana arahnya atau ke mana akhirnya,” kata Matthew Beard, seorang peneliti senior di NREL dan salah satu penulis buku yang baru diterbitkan Alam artikel.
Beard juga menjabat sebagai direktur Heart for Hybrid Natural Anorganic Semiconductors for Vitality (CHOISE), sebuah Vitality Frontier Analysis Heart yang didanai oleh Workplace of Science Primary Vitality Sciences dalam DOE. Penelitian yang dilaporkan didanai oleh CHOISE dan mengandalkan berbagai keahlian ilmiah yang diambil dari NREL, Colorado College of Mines, College of Utah, College of Colorado Boulder, dan Universite de Lorraine di Prancis.
Tujuan CHOISE
Tujuan CHOISE adalah untuk memahami kontrol atas interkonversi muatan, spin, dan cahaya menggunakan sistem kimia yang dirancang dengan cermat. Secara khusus, penelitian ini berfokus pada kontrol atas spin elektron yang dapat berupa “naik” atau “turun”. Sebagian besar perangkat optoelektronik saat ini bergantung pada interkonversi antara muatan dan cahaya. Namun, spin adalah sifat lain dari elektron, dan kontrol atas spin dapat memungkinkan banyak sekali efek dan fungsi baru. Para peneliti menerbitkan sebuah makalah pada tahun 2021 di mana mereka melaporkan bagaimana dengan menggunakan dua lapisan perovskit yang berbeda, mereka dapat mengontrol spin dengan membuat filter yang menghalangi elektron “berputar” ke arah yang salah.
Mereka berhipotesis pada saat itu bahwa kemajuan dapat dicapai dalam optoelektronik jika mereka berhasil menggabungkan kedua hal tersebut semikonduktordan kemudian melanjutkan untuk melakukan hal itu. Terobosan yang dibuat, yang meliputi menghilangkan kebutuhan untuk subzero Celsius suhu, dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan pemrosesan knowledge dan mengurangi jumlah daya yang dibutuhkan.
“Sebagian besar teknologi masa kini didasarkan pada pengendalian muatan,” kata Beard. “Kebanyakan orang melupakan spin elektron, tetapi spin sangat penting, dan itu juga merupakan parameter lain yang dapat dikontrol dan dimanfaatkan.”
Memanipulasi spin elektron dalam semikonduktor sebelumnya memerlukan penggunaan kontak feromagnetik di bawah medan magnet yang diterapkan. Dengan menggunakan perovskit kiral, para peneliti mampu mengubah LED menjadi LED yang memancarkan cahaya terpolarisasi pada suhu ruangan dan tanpa medan magnet. Kiralitas mengacu pada struktur materials yang tidak dapat ditumpangkan pada bayangan cerminnya, seperti tangan. Misalnya, sistem kiral berorientasi “kidal” dapat memungkinkan pengangkutan elektron dengan spin “atas” tetapi menghalangi elektron dengan spin “bawah”, dan sebaliknya. Spin elektron kemudian diubah menjadi “spin,” atau polarisasi, dari cahaya yang dipancarkan. Tingkat polarisasi, yang mengukur intensitas cahaya yang terpolarisasi dalam satu arah, mencapai sekitar 2,6% dalam penelitian sebelumnya. Penambahan semikonduktor III-V—yang terbuat dari bahan-bahan di kolom ketiga dan kelima tabel periodik—meningkatkan polarisasi menjadi sekitar 15%. Derajat polarisasi berfungsi sebagai ukuran langsung akumulasi putaran pada LED.
“Karya ini sangat menarik bagi saya, karena menggabungkan fungsi spin dengan platform LED tradisional,” kata penulis pertama karya tersebut, Matthew Hautzinger. “Anda dapat membeli LED yang serupa dengan yang kami gunakan seharga 14 sen, tetapi dengan perovskit kiral yang disertakan, kami telah mengubah teknologi yang sudah tangguh (dan dipahami dengan baik) menjadi perangkat kontrol spin yang futuristik.”
Referensi: “Injeksi spin suhu ruangan melintasi antarmuka perovskit/III–V kiral” oleh Matthew P. Hautzinger, Xin Pan, Steven C. Hayden, Jiselle Y. Ye, Qi Jiang, Mickey J. Wilson, Alan J. Phillips, Yifan Dong, Emily Okay. Raulerson, Ian A. Leahy, Chun-Sheng Jiang, Jeffrey L. Blackburn, Joseph M. Luther, Yuan Lu, Katherine Jungjohann, Z. Valy Vardeny, Joseph J. Berry, Kirstin Alberi dan Matthew C. Beard, 19 Juni 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4
