紅熒烯單晶材料與器件的制備及特性研究.pdf

1、紅熒烯作為一種小分子有機半導體材料，由于其在發(fā)光效率、激子擴散長度、載流子遷移率等方面較之其他的有機材料有較大的優(yōu)勢，在近年來被廣泛的應用于有機發(fā)光二極管、有機場效應晶體管及有機太陽能電池等領域的研究與開發(fā)當中。而利用紅熒烯單晶制備的有機場效應晶體管，在實驗中測得其器件遷移率可達24.5cm2/Vs，這一數(shù)值在目前有機材料遷移率的研究中有著最佳的表現(xiàn)。
　　近年來，基于有機半導體的自旋電子學研究取得了很快的進展。然而，在室溫下具有

2、明顯磁阻的自旋閥及自旋注入場效應晶體管卻難以實現(xiàn)。同時，在對所觀察到的磁電阻的機理解釋方面也產生了自旋注入與局部隧穿的爭議。有機材料的自旋軌道耦合及超精細相互作用非常弱，理論上應有很長的自旋擴散長度。但在實驗中，紅熒烯及其他有機材料的自旋擴散長度僅為數(shù)十納米。其原因可能為有機材料遷移率很低，且在非晶或微晶的薄膜中存在大量的晶粒間界、缺陷以及雜質等影響因素。以上幾種因素會明顯的降低材料的自旋擴散長度，導致在常溫及有機層厚度增大時幾乎觀測不

3、到磁電阻現(xiàn)象。而高質量的單晶材料能夠最大限度的降低缺陷、雜質及晶界等不利因素的影響，降低電子陷阱的密度。同時因紅熒烯單晶具有很高的載流子遷移率。因此，通過制備高質量紅熒烯單晶材料及其自旋器件，并研究其自旋輸運特性，有可能提高其載流子自旋擴散長度，實現(xiàn)更長距離的自旋輸運。
　　本論文的研究內容和研究目的就是制備高質量的適合有機自旋電子器件的紅熒烯單晶材料，研究其結構及物理性質，在此基礎之上，研制基于單晶紅熒烯材料的具有自旋極化電極且

4、溝道寬度在微納尺度的有機自旋電子器件，研究其電學性質及自旋輸運性質，探索在紅熒烯單晶中實現(xiàn)微米級超長距離自旋輸運的方法，并為理清有機材料的本征自旋輸運機理提供實驗基礎。
　　主要研究內容和結論如下:
　　首先，我們利用物理氣相輸運的方法制備了紅熒烯單晶。利用XRD分析了所制備的紅熒烯單晶的結構及結晶質量。利用AFM對晶體的表面形貌進行了表征和分析，結果顯示紅熒烯單晶表面具有明顯的層狀結構，說明其生長模式為層狀生長。我們還研究

5、了制備的紅熒烯單晶的光學性質，測試了其PL譜，發(fā)現(xiàn)紅熒烯單晶具有較強的光學各向異性。隨后，通過對不同溫度下的譜線進行研究，分析了溫度對紅熒烯單晶光學自吸收現(xiàn)象的影響。得到其在極低溫時的發(fā)光區(qū)主要位于黃綠光區(qū)域，而在常溫時，由于明顯的自吸收作用，發(fā)光區(qū)主要位于橙光區(qū)域。
　　其次，利用紫外掩膜對準曝光技術及電子束蒸發(fā)技術制備了中間溝道為2-3微米的具有兩側非對稱鐵磁電極的器件。電極材料選取常規(guī)鐵磁金屬鐵、鈷和鎳。利用AES方法研究了

6、該三種金屬在晶體生長條件下的表面氧化情況，發(fā)現(xiàn)三種電極具有不同的氧化厚度，為了解決該問題，采取了在制備器件電極時覆蓋一層5nm的銅作為保護層的方法，防止下方電極氧化。利用AGM對非對稱電極的磁滯回線進行測量，觀測到兩種不同電極材料之間的矯頑力能夠有較為明顯的區(qū)別，說明器件電極的磁化方向可以分別反轉。
　　最后，利用半導體參數(shù)測試儀對器件在不同溫度和外界磁場中的特性進行了研究。發(fā)現(xiàn)器件表現(xiàn)出典型的二極管特性，且器件的電流-電壓特性隨