基于躍遷理論的有機(jī)器件磁場(chǎng)效應(yīng)研究.pdf

1、電子具有這樣的兩種屬性，即電荷與自旋。曾經(jīng)的多數(shù)研究中，科研工作者主要關(guān)注了電子的電荷方面的屬性然而忽略它的自旋方面的屬性。但是之后，因?yàn)樽孕娮訉W(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷了不斷地發(fā)展壯大，科研工作者著手圍繞著電子自旋方面的屬性展開探討和應(yīng)用，其中最主要的研究為自旋極化，自旋注入以及自旋輸運(yùn)等等。
　　鐵磁電極(FM)/中間夾層(interlayer)/鐵磁電極(FM)這樣的基本結(jié)構(gòu)，被用來研究自旋如何極化以及注入、輸運(yùn)。中間夾層是沒有磁性的，像

2、超導(dǎo)體、金屬、傳統(tǒng)的半導(dǎo)體甚至有機(jī)材料都可以作為夾層。首先對(duì)超導(dǎo)體夾層，由于庫(kù)伯對(duì)的存在（它是不帶自旋的），而不能輸運(yùn)自旋。金屬中的載流子雖然是攜帶1/2自旋的擴(kuò)展的電子，可是金屬器件卻不能放大這些信號(hào)。半導(dǎo)體中的電子或者空穴（攜帶1/2自旋）可以輸運(yùn)自旋，其能帶有帶隙，使其能夠放大信號(hào)。有機(jī)聚合物應(yīng)該是另外一個(gè)選擇，因?yàn)樗兄雽?dǎo)體的特點(diǎn)。聚合物還有著它自己的特性，“軟”的原子構(gòu)型使它能容易地的形成良好接觸的界面或者一個(gè)合適的注入勢(shì)壘

3、。
　　有機(jī)半導(dǎo)體包含小分子和聚合物構(gòu)成的半導(dǎo)體。這些材料可以擁有較高的遷移率，表現(xiàn)出明顯的功能特性。電子-晶格耦合在共軛聚合物中很強(qiáng)（區(qū)別于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體），其中的載流子不再完全擴(kuò)展，而是與晶格耦合在一起的自陷束縛態(tài)。共軛聚合物中的載流子如孤子，極化子或者雙極化子有著“準(zhǔn)粒子”的特征，表現(xiàn)出完全的局域性，穩(wěn)定性和完整性。在一些小分子晶體中，由于分子在平衡位置附近的漲落，一個(gè)額外的電子或空穴將形成一個(gè)自束縛的態(tài)，這和聚合物中的帶電的

4、激發(fā)態(tài)是相似的。有機(jī)半導(dǎo)體中這些激發(fā)態(tài)有著特定的電荷自旋關(guān)系。一個(gè)孤子有著一個(gè)相反的電荷自旋關(guān)系，即帶電的孤子S±是不帶自旋的，而一個(gè)電中性的孤子S0有著一個(gè)自旋±h/2，這與傳統(tǒng)的電子和空穴載流子是不同的。一個(gè)帶電的極化子攜帶著自旋±h/2，而一個(gè)雙極化子擁有兩個(gè)電子或空穴，所以它并不帶自旋。因此，只有帶電的極化子或者電中性的孤子才能作為自旋的載流子。
　　有機(jī)小分子和聚合物具有許多電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)特性。此外，自旋軌道耦合在有機(jī)

5、半導(dǎo)體中很弱（原子序數(shù)低），從而電子的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度特別長(zhǎng)。本身的這些特點(diǎn)使得有機(jī)半導(dǎo)體成為了自旋極化注入和輸運(yùn)的理想的器件。在過去的幾十年時(shí)間里，人們使用相關(guān)的有機(jī)材料制成了各式各樣的功能器件，常見的和應(yīng)用較多的為能源器件有機(jī)太陽(yáng)能電池、有機(jī)發(fā)光二極管（可作顯示器件用），還有有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。
　　隨著自旋輸運(yùn)方面的研究越來越深入和擴(kuò)展，有機(jī)自旋電子學(xué)中另一個(gè)誘人的現(xiàn)象即有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)了。有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)意味著在室溫下，即使在沒

6、有磁性電極的情況下，非磁性有機(jī)半導(dǎo)體的電的或光的特性也會(huì)對(duì)很小的磁場(chǎng)（在mT的尺度上）產(chǎn)生很大的反應(yīng)。作為有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)的一方面，有機(jī)磁電阻或有機(jī)磁電導(dǎo)行為表現(xiàn)出來的普遍的曲線形狀可以用經(jīng)典的洛倫茲型B2/（B2+B20）或非洛倫茲型[B/(|B|+ B0)]2的公式或者它們的組合公式來擬合。一些也可以通過冪律分布如Bn，f1/B2+f2/B4或者d1B2+d2B4來擬合。通常，在0～15％之間的有機(jī)磁電阻值在大量的有機(jī)半導(dǎo)體中被發(fā)現(xiàn)。在

7、一些情況下，一個(gè)約300％的磁電阻值也被觀測(cè)到了。
　　有機(jī)半導(dǎo)體中自旋相關(guān)的電子過程的模型經(jīng)過了不斷增多的過程。當(dāng)施加了一個(gè)外磁場(chǎng)后，相互作用不僅有自旋-塞曼相互作用，還有電荷-洛倫茲相互作用;氫核的核自旋超精細(xì)相互作用也可以包含其中。例如，Yu等人展示了超精細(xì)相互作用的系統(tǒng)性的研究，以及它在有機(jī)自旋電子學(xué)應(yīng)用中所起的作用。到目前為止，三種機(jī)理已經(jīng)被提出來解釋有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng):(1)極化子對(duì)機(jī)制。在該機(jī)制下，磁場(chǎng)和超精細(xì)場(chǎng)共同作用可

8、以控制單態(tài)與三態(tài)極化子對(duì)之間的轉(zhuǎn)換，即單三態(tài)激子間的形成比例被調(diào)節(jié)，以此調(diào)節(jié)電致發(fā)光效率（主要在雙極器件中）。(2)雙極化子機(jī)制。極化子與雙極化子之間的轉(zhuǎn)換受磁場(chǎng)和超精細(xì)場(chǎng)控制，兩者濃度比例因此變化。兩者有效質(zhì)量的不同導(dǎo)致其遷移率的不一樣，磁場(chǎng)調(diào)節(jié)兩者濃度比例，完成對(duì)器件電流的調(diào)節(jié)。(3)激子淬滅機(jī)制。此種機(jī)制里，極化子和三態(tài)激子發(fā)生作用（在其輸運(yùn)的過程相遇）而被三態(tài)的激子散射，由此表現(xiàn)出遷移率下降。單、三態(tài)激子之間的比例受磁場(chǎng)和超精細(xì)

9、場(chǎng)共同作用調(diào)節(jié)，從而極化子被散射的概率也受影響（和三態(tài)激子碰撞），最終電流表現(xiàn)出隨磁場(chǎng)變化的現(xiàn)象。這些機(jī)制都強(qiáng)調(diào)了超精細(xì)相互作用在有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)中的重要性。
　　從最基本的電荷-速度（遷移率）的關(guān)系J=nev可知電流J不僅依賴于載流子濃度n，還依賴于載流子速度v。實(shí)驗(yàn)研究似乎揭示了載流子和遷移率μ（μ=v/E，E為電場(chǎng)強(qiáng)度）都能被磁場(chǎng)所影響。例如，通過利用電致發(fā)光光譜和電荷引起的吸收光譜技術(shù)，Nguyen等人分別測(cè)量了單態(tài)激子、三態(tài)

10、激子和極化子的濃度對(duì)磁場(chǎng)的依賴性。他們發(fā)現(xiàn)所有的濃度隨著磁場(chǎng)的增大而增加。然而，Veeraraghavan等人在聚芴(PFO)中進(jìn)行了磁電阻測(cè)量，顯示載流子遷移率受磁場(chǎng)調(diào)控，而載流子濃度沒有變化。另外，Ding等人近來通過對(duì)由NPB∶Alq3混合的發(fā)光層構(gòu)成的有機(jī)發(fā)光二極管的研究中發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光磁效應(yīng)與載流子遷移率有著密切的關(guān)系。
　　盡管人們提出了不同的唯象模型來解釋有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)，但是其深層機(jī)理依然需要理解。需要指出是，大多數(shù)的理

11、論工作僅僅給出了一個(gè)模型，至多進(jìn)行了定性的研究。而實(shí)際上有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)該既包含載流子和磁場(chǎng)相互作用的微觀機(jī)制，又包含載流子在有機(jī)層中的輸運(yùn)特性，這兩項(xiàng)都將有效地影響有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)。本文中我們考慮載流子受到磁場(chǎng)以及超精細(xì)場(chǎng)的影響，利用主方程研究了載流子的輸運(yùn)情況，并定量地給出了有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)。通過定量的研究，我們或許可以發(fā)現(xiàn)有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)的真正相關(guān)的機(jī)理。
　　因?yàn)榇蠖鄶?shù)的有機(jī)材料有著無序的結(jié)構(gòu)，輸運(yùn)主要通過各個(gè)格點(diǎn)（分子）間的躍遷而不是

12、帶輸運(yùn)。由于無序造成的格點(diǎn)在位能的差異通常認(rèn)為是高斯形式的。為了決定有機(jī)器件的遷移率，不同格點(diǎn)間的躍遷模型通過主方程方法得到了研究。主方程被證明是解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的遷移率的一種有效的工具，它提供了理解在無序的有機(jī)半導(dǎo)體中輸運(yùn)的基本的框架。當(dāng)涉及自旋指標(biāo)的時(shí)候，情況將變得復(fù)雜。
　　在這個(gè)工作中，躍遷率由施加的外磁場(chǎng)和超精細(xì)場(chǎng)共同決定。接下來我們利用了自旋相關(guān)的主方程，通過計(jì)算極化子的遷移率，在無序的有機(jī)半導(dǎo)體中我們得到一個(gè)很大的磁電

13、導(dǎo)。通過選擇合適的參數(shù)，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一致的。在較強(qiáng)的超精細(xì)相互作用下磁電導(dǎo)將較慢地達(dá)到它的飽和值，這揭示了超精細(xì)相互作用在有機(jī)磁電導(dǎo)中的重要性。因?yàn)橛袡C(jī)半導(dǎo)體中的載流子為局域的極化子，發(fā)現(xiàn)在較強(qiáng)局域的極化子情況下磁電導(dǎo)值變得更大。這也解釋了為何有機(jī)半導(dǎo)體中的磁電導(dǎo)比無機(jī)半導(dǎo)體中的明顯得多。此外，還發(fā)現(xiàn)磁電導(dǎo)值隨著有機(jī)材料的各向異性的增加而增加，這建議我們應(yīng)利用有著高各向異性結(jié)構(gòu)或位形的有機(jī)材料來獲得一個(gè)大的磁電導(dǎo)值。
　　

14、從大量的有機(jī)器件的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)磁電導(dǎo)呈現(xiàn)出復(fù)雜性。有機(jī)半導(dǎo)體中正的和負(fù)的有機(jī)磁電阻都被報(bào)道過，依賴電壓變化和具體的材料或器件特點(diǎn)，還展示了隨著電壓變化從負(fù)磁電阻到正磁電阻的轉(zhuǎn)變。當(dāng)一個(gè)極化子局域在一個(gè)格點(diǎn)，它的自旋將有外磁場(chǎng)和內(nèi)部有效的超精細(xì)場(chǎng)共同決定。極化子自旋的基態(tài)由自旋向上和向下的組分組成。Julliere模型在研究磁電阻時(shí)假設(shè)了自旋在輸運(yùn)過程中守恒（沒有重新取向或翻轉(zhuǎn)），又由于有機(jī)材料中自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度比通常的無機(jī)材料中的長(zhǎng)

15、得多。所以在這個(gè)工作中我們假設(shè)在低的載流子濃度下，極化子在躍遷的過程中保持自旋取向不變。
　　我們利用主方程計(jì)算了體系的遷移率并得到磁電阻。在合適的參數(shù)下，我們的理論模擬和實(shí)驗(yàn)觀察擬合的很好。發(fā)現(xiàn)有機(jī)磁電阻依賴于材料的特性以及操作條件。我們的模擬結(jié)果顯示有機(jī)磁電阻隨著電場(chǎng)的變化從負(fù)到正。此外，當(dāng)能量無序參數(shù)降低的時(shí)候，磁電阻也出現(xiàn)了符號(hào)的轉(zhuǎn)變。在我們的模擬中，磁電阻的溫度依賴性與它對(duì)能量無序?qū)挾鹊囊蕾囆允且恢碌?。在?qiáng)的超精細(xì)相互作

16、用下，磁電阻較慢地達(dá)到它的飽和值，這揭示了超精細(xì)相互作用對(duì)有機(jī)磁電阻的重要性。此外，由于有機(jī)半導(dǎo)體中的載流子是極化子，發(fā)現(xiàn)局域性較強(qiáng)的極化子會(huì)使磁電阻變大。這說明了為何明顯的磁電阻在有機(jī)的半導(dǎo)體中出現(xiàn)而不是在無機(jī)半導(dǎo)體中。
　　以上的工作研究了單極器件中的磁場(chǎng)效應(yīng)，下面將考慮雙極器件中磁電阻的機(jī)理，在這里我們主要考慮三態(tài)激子作為陷阱對(duì)載流子輸運(yùn)的阻礙作用。在磁場(chǎng)、超精細(xì)相互作用和交換相互作用的的影響下，我們展示了電子、空穴以及電子