近日，体育投注网站Aumber Abbas副教授、欧军飞教授团队联合沙特国王法赫德石油矿产大学、上海大学、英国伦敦大学体育投注网站 等机构研究人员，在国际顶级材料期刊《Materials Today》(影响因子22，中科院一区Top)发表题为:“Room temperature spin light-emitting diode based on chiral 2D superlattice”的研究成果。Aumber Abbas为论文第一作者，Aumber Abbas、欧军飞和Mojtaba Abdi-Jalebi为论文共同通讯作者，论文第一通讯单位为体育投注网站 ｡
1.研究背景
室温自旋光电子学是下一代自旋电子器件发展的核心方向，但其传统技术路径长期受限于“磁依赖” 瓶颈：调控自旋、电荷与光的过程通常需同时借助电场与磁场，这不仅增加了器件结构复杂度，还制约了其在柔性、微型化设备中的应用潜力。手性诱导自旋选择性(CISS)效应的发现为无磁自旋调控提供了新路径，该效应可使电荷通过手性分子或结构时产生手性相关的电子自旋极化，无需外磁场或磁性原子参与。然而，现有有机手性体系存在显著缺陷：自旋选择性低、极化效率不足且长期稳定性差。例如，基于手性单层膜或钙钛矿的自旋器件，实际极化率常低于10%甚至不足1%，难以满足高性能自旋电子系统的需求。在此背景下，二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)凭借灵活的电子特性与层间范德华间隙结构，成为构建新型手性功能材料，突破现有瓶颈的关键载体，为解决有机手性体系的局限性提供了新可能。｡
2.研究内容
研究围绕手性二维超晶格的制备、性能验证及自旋LED器件开发展开。首先，研究团队采用湿化学插层法，将(S)-(-)-α-甲基苄胺(S-MBA)与(R)-(+)-α-甲基苄胺(R-MBA)两种手性分子，成功插入TaS₂的层间范德华间隙，制备出具有明确手性的二维超晶格(S-MBA-TaS₂与R-MBA-TaS₂)，并通过XRD、拉曼光谱、AFM、STEM及CD等多维度表征。结果显示，插层后超晶格层间距从6.1Å 扩大至12.2Å，晶体结构保持完整且具备镜像对称的手性特征，为后续性能发挥奠定结构基础。其次，在自旋极化性能测试中，利用mcp-AFM发现室温下R-MBA-TaS₂与S-MBA-TaS₂的相对自旋极化率分别达+88%与-91%，偏压超过-2.0V时极化率即可超80%。这一高效极化源于多层结构的累积CISS效应，电荷传输中可在每一层手性分子处实现自旋过滤。同时FTIR与元素分析也验证了手性分子在超晶格中的均匀分布与结构完整性。基于上述超晶格，研究团队进一步设计并制备了室温无磁自旋发光二极管(spin-LED)，器件结构为ITO/自组装单层(SAM)/手性二维超晶格/CdSe/ZnS QDS/ZnO/ Ag。测试显示该器件室温下外部量子效率达18.9%，圆偏振电致发光(CP-EL)极化度最高为±16.7%，开启电压仅2.7V，且在无封装、25±1℃、40-50%湿度环境下，连续工作3.5小时仍保留 86%以上初始CP-EL效率，7天存储后效率衰减不足5%，稳定性远超传统有机自旋 LED。此外,为验证策略普适性，研究将手性插层方法拓展至 TiS₂体系，成功制备S-MBA-TiS₂与R-MBA-TiS₂超晶格，基于其构建的自旋LED同样实现高效CP-EL发射，极化度分别达14.51%与12.09%。证明该技术路径可适用于不同2D TMD材料，为定制化自旋电子器件开发提供了广泛前景。
图1(a)通过将手性MBA分子插层到TaS₂交替层间制备手性二维TaS₂超晶格的生长示意图。(b)本征H-TaS₂晶体及其对应的特定手性(R 型、S 型)MBA 分子插层超晶格(R-MBA-TaS₂、S-MBA-TaS₂)的XRD图谱；(c)上述材料的拉曼光谱。(d)同一TaS₂薄片插层前、(e)插层后的AFM图像，显示超晶格结构发生膨胀。(f)H-TaS₂晶体插层前、(g)插层后的聚焦离子束(FIB)截面STEM图像，显示层间距增大。
3.研究结论
本研究成功开发出基于手性二维超晶格的室温无磁 spin-LED，通过将手性分子插层到2D TMDs（TaS₂、TiS₂）中构建超晶格，利用CISS效应实现高效自旋极化，器件在室温下展现优异性能：CP-EL 偏振度超16.7%、EQE 达18.93%，且稳定性突出，连续工作3.5小时、存储7天性能衰减少，无需外部磁场或铁磁电极，解决了传统自旋器件的结构与能耗问题。
手性二维超晶格兼具TMDs的结构稳定性与手性分子的自旋筛选能力，多层结构的 “累积CISS 效应” 有效提升了自旋极化效率，解决了传统有机手性体系自旋选择性低、稳定性差的短板；且手性插层策略具有普适性，可应用于TaS₂、TiS₂等不同TMD材料，为设计多功能自旋材料提供了新思路。
该成果确立手性二维超晶格为自旋光电子应用的理想平台，不仅简化了 spin-LED的器件结构、降低能耗，还为下一代低功耗、紧凑型自旋光电子器件（如量子信息器件、手性生物成像探针、高效显示器件）的发展奠定基础，推动自旋电子学从基础研究向实用化迈进。
文章信息
参考格式:A. Abbas, M. Mustaqeem, J. Kazmi, A. Hassan, T. Zahra, M.A. Iqbal, M.A. Gondal, J. Ou, M. Abdi-Jalebi, Room temperature spin light-emitting diode based on chiral 2D superlattice, Materials Today (2025).
原文连接://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.09.027.
（图/文：胡可军；审核/张纪霞；编辑/占成）