近日，我院“低维物理与器件实验室”团队及其国际合作团队在半导体自旋动力学的第一性原理理论研究中取得新进展。相关研究成果以“How Spin Relaxes and Dephases in Bulk Halide Perovskites”为题发表在《Nature Communications》 (Nature Communications 15, 188, 2024) 。

卤化钙钛矿具有优良的光电性质，已经在太阳能电池、发光器件等研究领域受到了广泛关注。同时，由于这类材料具有高效自旋产生、较长的自旋寿命和高度可调的自旋轨道耦合场，人们认为其在半导体自旋电子学应用方面具有巨大的潜力，并进行了众多相关的实验和理论研究。

卤化钙钛矿的自旋寿命，作为决定其在自旋电子学等领域中应用前景的一个关键参数，已经被广泛地测量过，但尚未得到充分的第一性原理研究。有必要采用精确的第一性原理方法系统性地模拟卤化钙钛矿的自旋寿命，以充分理解其自旋弛豫和退相位机制，并确定影响其自旋寿命的关键因素。

图1：体相卤化钙钛矿CsPbBr₃的自旋弛豫和退相位。（a）斜方晶系CsPbBr₃的结构示意图。（b）不同载流子浓度条件下，自旋弛豫时间T₁随温度变化的理论结果和实验数据的对比。（c）、（d）和（e）为电子和空穴的Lande g因子。g因子决定了自旋在外磁场中的运动。其中，（c）为能带边附近不同k点的g因子，（d）为平均g因子，（e）为g因子的涨落幅度。（f）不同载流子浓度条件下，系综自旋退相位时间（T₂^*）的倒数随横向外磁场变化的理论结果和实验数据的对比。

团队采用自主开发的第一性原理密度矩阵主方程方法，模拟了一种典型卤化钙钛矿--CsPbBr₃（图1a）的自旋弛豫时间（T₁，见图1b）和系综自旋退相位时间（T₂^*，见图f）。该方法准确地考虑了自洽的自旋轨道耦合（SOC），并包含对电子-声子散射过程的量子描述。因此，团队精确预测了材料的本征自旋寿命（见图1b），从而设定了自旋寿命的上限，并研究了自旋寿命对温度、外场、载流子密度和缺陷的依赖性。团队进一步确定了CsPbBr₃的自旋弛豫机制，其中，发现主导载流子弛豫的Frohlich电声相互作用对自旋弛豫的贡献却可以忽略不计。该现象起源于Frohlich电声相互作用的自旋弱相关性。团队还实现了对固体中Lande g因子的第一性原理模拟（见图1c、1d、1e），并将其引入到自旋动力学模拟中，这使得团队能够准确模拟在外场下的自旋退相位现象（见图1f）。最后，团队研究了空间反演对称性破缺对自旋寿命的影响。理论结果表明，当自旋劈裂较大时，所谓的“永久自旋螺旋”可以提高自旋寿命，然而Rashba自旋-轨道耦合场却会降低自旋寿命。团队的理论方法为优化卤化钙钛矿材料的自旋和载流子输运性质提供了新的途径。

合肥工业大学是论文的第一署名单位。hbs红宝石平台徐俊卿教授是论文的第一作者，美国威斯康辛大学副教授Yuan Ping、伦斯勒理工学院副教授Ravishankar Sundararaman、犹他大学教授Valy Vardeny是论文的共同通讯作者。该研究受到合肥工业大学人才引进条件建设经费、美国自然科学基金项目等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42835-w

（徐俊卿/文 徐俊卿/图 高伟清/审核）