自組裝旋光性發光二極體與雷射

雷射在現今社會的應用相當普遍，包含DVD、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、高雷射強度與低閥值注入電流等，引起許多科學家的重視。伴隨未來自旋電子學的興起，旋光性雷射不但可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。

要產生旋光性雷射，關鍵在於能在半導體發光層產生單一方向之自旋電子，此自旋電子一旦與電洞結合，就可能產生旋光性雷射。截至目前，普遍為人知用於產生旋光性雷射的方法有兩種，一是利用光學方法激發特殊方向的自旋電子；此方法雖能有效產生旋光性雷射，但因採用光學激發技術，實際應用之可行性受到很大限制，就像利用雷射光照射雖然也能使半導體發光，但實際應用上還是必須使用電激發光，市面上廣泛採用的半導體發光二極體即為一例。

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，此方法雖然實用性較高，但產生旋光性雷射的效率很差，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再保持單一方向性，導致旋光性雷射之進展緩慢。

國立台灣大學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，利用後者具有選擇性讓單一方向自旋電子流入的本質，在半導體發光層中創造出自行組裝之單一方向自旋電子。此新穎物理機制仰賴的是能帶結構的特殊性質，排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，該團隊所展示的旋光性元件為氮化物半導體，根據先前的理論分析，氮化物半導體發光之旋光性約為3%，並不合適用於研製旋光性發光元件，然而透過此新提出的物理機制，該理論值已經被打破，因此台灣大學團隊的研究成果不但克服了傳統困難，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。詳見Nano Lett. 14, 3130 (2014)及Nature Nanotech. 9, 845–850 (2014)。