Highly spin-polarized carrier dynamics and ultralarge photoinduced magnetization in CH3NH3PbI3 perovskite thin films.

薄膜 铁磁性 磁化 自旋(空气动力学) 克尔效应 脉冲激光沉积 激子 带隙 半导体 密度泛函理论
作者
David Giovanni,Hong Ma,Julianto Chua,Michael Grätzel,Ramamoorthy Ramesh,Subodh Mhaisalkar,Nripan Mathews,Tze Chien Sum
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 1553-1558 被引量:130
标识
DOI:10.1021/nl5039314
摘要

Low-temperature solution-processed organic-inorganic halide perovskite CH3NH3PbI3 has demonstrated great potential for photovoltaics and light-emitting devices. Recent discoveries of long ambipolar carrier diffusion lengths and the prediction of the Rashba effect in CH3NH3PbI3, that possesses large spin-orbit coupling, also point to a novel semiconductor system with highly promising properties for spin-based applications. Through circular pump-probe measurements, we demonstrate that highly polarized electrons of total angular momentum (J) with an initial degree of polarization Pini ∼90% (i.e., -30% degree of electron spin polarization) can be photogenerated in perovskites. Time-resolved Faraday rotation measurements reveal photoinduced Faraday rotation as large as 10°/μm at 200 K (at wavelength λ = 750 nm) from an ultrathin 70 nm film. These spin polarized carrier populations generated within the polycrystalline perovskite films, relax via intraband carrier spin-flip through the Elliot-Yafet mechanism. Through a simple two-level model, we elucidate the electron spin relaxation lifetime to be ∼7 ps and that of the hole is ∼1 ps. Our work highlights the potential of CH3NH3PbI3 as a new candidate for ultrafast spin switches in spintronics applications.
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