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研究生: 曾暐勻
Zeng, Wei-Yun
論文名稱: 基於掌性鈣鈦礦之自旋發光二極體
Spin Light-Emitting Diodes Based on Chiral Perovskite
指導教授: 陳育霖
Chen, Yu-Lim
口試委員: 陳育霖
Chen, Yu-Lim
趙宇強
Yu-Chiang Chao
許經夌
Ching-Ling Hsu
口試日期: 2024/12/09
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2025
畢業學年度: 113
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 自旋發光二極體掌性自旋誘導選擇性
英文關鍵詞: spin light-emitting diode, Chiral Induced Spin Selectivity
研究方法: 實驗設計法
DOI URL: http://doi.org/10.6345/NTNU202500001
論文種類: 學術論文
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  • 本篇論文主旨在研究引用新型鈣鈦礦材料(MB〖A)〗_2 CuCl_4,此材料具有極強的旋光度,利用圓二色性光譜儀測量其旋光特性發現其不對稱因子g-factor在波長383nm處可達到0.08。為了研究此材料在自旋發光二極體上的應用,我們在文章中會引用另一種鈣鈦礦材料(MB〖A)〗_2 PbBr_4作為對比,此材料在研究的歷史上相對成熟,已經有許多研究與文章可做參考,因此選擇作為對比對象。
    在研究完兩材料的特性比對後,我們會開始研究將兩者投入至自旋發光二極體的結構中。目前在自旋發光二極體的文章中大部分都是透過對進入元件中的電洞作自旋極化,而這就是本篇文章想要做的第二部分,試圖去實現在發光二極體的結構中以電子作自旋極化的可能性。利用(MB〖A)〗_2 PbBr_4製成的自旋發光二極體具有1.14%的外部量子效率以及0.01的圓偏振電致發光不對稱因子,而(MB〖A)〗_2 CuCl_4的自旋發光二極體具有0.11%的外部量子效率以及0.007的圓偏振電致發光不對稱因子,成功實現了可以透過電致發光發出旋光的電子自旋選擇發光二極體。

    This study focuses on investigating a novel perovskite material, (MB〖A)〗_2 CuCl_4,which exhibits exceptionally strong chiroptical properties. Circular dichroism(CD) spectroscopy revealed that material achieves an asymmetric factor(g-factor) of up to 0.08 at wavelength of 383nm.To explore its potential application in spin light-emitting diode(spin-LED),we compare (MB〖A)〗_2 CuCl_4 with another perovskite material, (MB〖A)〗_2 PbBr_4,which has been extensively studied and serves as a benchmark for our research due to the availability of substantial prior work and literature.
    After characterizing and comparing the properties of these two materials, we proceeded to integrate them into spin-LED structures. Most existing spin-LED studies focus on spin polarization of holes injected into the device. This research aims to investigate the feasibility of achieving spin polarization of electrons within the LED structure. Spin-LED fabricated using (MB〖A)〗_2 PbBr_4 demonstrated an external quantum efficiency(EQE) of 1.14% and a circularly polarized electroluminescence(CPEL) asymmetric factor of 0.01.In contrast, spin-LED based on (MB〖A)〗_2 CuCl_4 exhibited an EQE of 0.11% and a CPEL asymmetric factor of 0.007.These results successfully demonstrate the potential for electron spin selective chiral electroluminescence using spin-LED.

    致謝 i 摘要 ii Abstract iii 圖次 vi 表次 viii 第一章、緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機 2 二、材料特性及原理 3 2.1鈣鈦礦材料 3 2.2發光二極體元件結構 5 2.3掌性誘導自旋選擇性 6 2.4 Spin-LED 8 2.5極性匹配 9 2.6發光二極體光電特性 10 三、實驗儀器 12 3.1 製程設備 12 3.1.1 超音波清洗機 12 3.1.2 紫外線臭氧清洗機 12 3.1.3 電漿表面處理機 13 3.1.4 手套箱 15 3.1.5 旋轉塗佈機 15 3.1.6 加熱板 15 3.1.7 熱電阻式蒸鍍機 16 3.2 量測設備 17 3.2.1 電致發光光譜儀 17 3.2.2 光學顯微鏡 17 3.2.3 圓二色性光譜儀 18 3.2.4 圓偏振螢光光譜儀 20 3.2.5 X光繞射儀 21 3.2.6 膜厚偵測儀 22 第四章、實驗材料與製程 23 4.1 旋光鈣鈦礦穩態測量 23 4.1.1 旋光鈣鈦礦(MBA)2PbBr4樣品配置 23 4.1.2 旋光鈣鈦礦(MBA)2CuCl4樣品配置 23 4.1.3 圓二色性光譜儀(CD)量測 24 4.1.5 XRD量測 24 4.2 元件備製 25 4.2.1蝕刻流程 25 4.2.2 基板清理 26 4.2.3 電極保護 26 4.2.4 蒸鍍用金屬遮罩板 27 4.3 電洞自旋選擇層元件結構與製程條件 29 4.3.1陽極 29 4.3.2電洞注入層 29 4.3.3電洞自旋選擇層 29 4.3.4發光層 30 4.3.5電子傳輸層 31 4.3.6陰極 31 4.4 電子自旋選擇層元件結構與製程條件 33 4.4.1陽極 33 4.4.2電洞注入層 33 4.4.3發光層 33 4.4.4電子自旋選擇層 34 4.4.5電子傳輸層 36 4.4.6陰極 37 五、實驗結果與討論 38 5.1 旋光鈣鈦礦性質 38 5.1.1 圓二色性光譜量測 38 5.1.2 XRD量測 46 5.2 旋光鈣鈦礦元件 47 5.2.1 不同電子自旋選擇層製程條件之比較 47 5.2.2 電子與電洞自旋選擇層元件EL量測之比較 58 5.2.3 電子與電洞自旋選擇層元件CPEL量測之比較 61 六、結論 67 6.1 電子自旋選擇層Spin-LED的可行性 67 6.2 未來展望 69 七、參考文獻 71

    1. Hao, Ji, et al. "Direct detection of circularly polarized light using chiral copper chloride–carbon nanotube heterostructures." ACS nano 15.4 (2021): 7608-7617.
    2. Mohan, Manuraj, Nagaraj P. Shetti, and Tejraj M. Aminabhavi. "Perovskites: A new generation electrode materials for storage applications." Journal of Power Sources 574 (2023): 233166.
    3. Kim, Young-Hoon, et al. "Chiral-induced spin selectivity enables a room-temperature spin light-emitting diode." Science 371.6534 (2021): 1129-1133.
    4. Kim, Jung Ha, et al. "Cathode interfacial engineering using stearic-acid-mediated polyethylenimine ethoxylated for high-performance solution-processed organic light-emitting diodes." Chemical Engineering Journal 427 (2022): 130890.
    5. Wang, Kang, et al. "Suppressing phase disproportionation in quasi-2D perovskite light-emitting diodes." Nature communications 14.1 (2023): 397.
    6. Lu, Ying, et al. "Highly Efficient Spin‐Filtering Transport in Chiral Hybrid Copper Halides." Angewandte Chemie International Edition 60.44 (2021): 23578-23583.

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