物理學系陳永芳教授團隊旋光性發光二極體與雷射榮登Nature Nanotechnology

雷射在現在社會的應用已相當普遍，包含DVDs、光通訊、醫療、藝術乃至軍事用途，旋光性雷射除了擁有傳統雷射的優點外，因其豐富的可調變本質而擁有更多新穎的特性與應用，例如寬頻譜通訊與安全性，生物分子合成與探討，高速調制器、高雷射強度，與低門檻注入電流等，因此引起許多科學家廣泛的重視，尤其是未來自旋電子學的興起，旋光性雷射不但可以用來研究物質的電子自旋特性，亦可以整合自旋電子學與自旋光子學，而為自旋光電子學開拓一條全新的研究與應用之路。

產生旋光性雷射之最重要因素在於能在半導體發光層產生單一方向之自旋電子，當此單一方向自旋電子與電洞結合就可能產生旋光性雷射。至今為止，普為人知用於產生旋光性雷射的方法共有兩種，其中之一為利用光學方法激發特殊方向自旋電子，此方法雖然能有效產生旋光性雷射，但是光學激發技術，實際應用之可行性受到很大限制，就如同利用雷射光照射半導體，可以使半導體發光，但實際應用還是必須使用電激發光，例如市面上普遍使用的半導體發光二極體。另一種方法是在半導體發光元件上層鍍上磁性薄膜，在外加偏壓下，可以將單一方向之自旋電子經由磁性薄膜而注入半導體發光層，此方法雖較具實用性，然而產生旋光性雷射之效率很差，其主要原因是單一方向自旋電子經過磁性薄膜與半導體界面時，電子自旋方向很容易被改變，而不具單一方向性，是故旋光性雷射之進展緩慢。

臺大物理學系陳永芳教授團隊利用半導體奈米結構與磁性半金屬奈米材料結合，而能創造出自行組裝之單一方向自旋電子存在於半導體發光層，因為磁性半金屬具有選擇性的讓單一方向自旋電子流入的本質，這個新穎物理機制，依賴的是能帶結構之特殊性質，去除了傳統方式依賴光學激發與磁性電極之限制，因而得以克服先前的障礙，成功的展示高效率旋光性發光二極體以及旋光性雷射。值得一提的是該研究團隊所展示的旋光性元件為氮化物半導體，依照先前理論的分析，氮化物半導體發光之旋光性大約為3%，並不合適用於研製旋光性發光元件，然而經由新提出的物理機制，該理論值已被打破，因此本校研究團隊的研究成果，不但克服了傳統的困難，亦大幅提升了可使用於產生旋光性發光元件半導體材料的選擇性，對自旋光電子學的研究與應用具有關鍵性影響。

說明：磁性半金屬Fe3O4與半導體GaN自旋向上與向下電子之能帶結構。 (a) Fe3O4與GaN自旋向下電子之相對能帶結構圖。 (b) Fe3O4與GaN自旋向下電子的相對能帶結構圖。因為只有自旋向下的電子與輕電子洞較容易流向磁性半金屬Fe3O4，因此保留在半導體的自旋向上電子與重電洞結合，就可以放射出具有旋光性的電磁波。EF代表費米能階，向上與向下箭頭代表電子自旋方向，陰影部分表示能態已被電子填滿，HH+表示帶正電之電洞，LH+代表帶正電輕電洞。

參考資料：J. Y. Chen, C. Y. Ho, M. L. Lu, L. J. Chu, K. C. Chen, S. W. Chu, W. Chen, C. Y. Mou, and Y. F. Chen*,“Efficient spin-light emitting diodes based on InGaN/GaN quantum disks at room temperature: a new self-polarized paradigm”,　Nano Lett. 14, 3130 (2014)Ju-Ying Chen, Tong-Ming Wong, Che-Wei Chang, Chen-Yuan Dong and Yang-Fang Chen*,“Self-polarized spin-nanolasers”, Nature Nanotech. doi:10.1038/nnano.2014.195 (2014)