有機(jī)材料器件自旋注入和輸運(yùn)特性研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學(xué)極具研究潛力的領(lǐng)域之一。與傳統(tǒng)的電子學(xué)不同，自旋電子學(xué)將電子的自旋特性和電荷特性相結(jié)合，其核心內(nèi)容是研究自旋極化電子的注入、輸運(yùn)、探測(cè)及自旋控制，其目的是將器件的電特性、光特性和磁特性等組合在一起，實(shí)現(xiàn)新型的自旋電子器件。自旋電子學(xué)是電子學(xué)的重大發(fā)展，近十幾年來不僅導(dǎo)致了高密度存儲(chǔ)器這類重大應(yīng)用性器件的出現(xiàn)，而且還導(dǎo)致了一些基礎(chǔ)性的物理革命，如自旋流、自旋壓、自旋霍爾效應(yīng)等新物理概念或現(xiàn)象的出現(xiàn)。自旋電子學(xué)器

2、件包括鐵磁金屬或磁性半導(dǎo)體與絕緣體、超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等構(gòu)型的復(fù)合，也包括近幾年提出的有機(jī)功能固體或納米小分子器件。目前，一些原型器件已被設(shè)計(jì)出來，如Datta和Das設(shè)計(jì)了第一個(gè)自旋晶體管等。器件的實(shí)際應(yīng)用需要解決如何有效地將自旋極化電流注入半導(dǎo)體的問題，這要求理論與實(shí)驗(yàn)研究中準(zhǔn)確描述自旋注入、演變以及界面效應(yīng)等。目前研究發(fā)現(xiàn)，注入電流的自旋極化與兩層材料的電阻之比密切相關(guān)，而電阻不匹配正是傳統(tǒng)材料難以實(shí)現(xiàn)高自旋注入效率的原因所在。

3、 相對(duì)于普通固體材料，柔軟的有機(jī)半導(dǎo)體（OSCs：Organic semiconductors）可以和磁性層形成良好的接觸，能有效減少自旋在界面的散射。由于有機(jī)材料弱的自旋－軌道耦合和超精細(xì)相互作用，載流子的自旋馳豫時(shí)間比較長(zhǎng)，因而有機(jī)材料是實(shí)現(xiàn)自旋極化輸運(yùn)的理想候選材料。不同于傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體中的載流子是電子，有機(jī)半導(dǎo)體中的載流子是極化子、雙極化子和孤子等準(zhǔn)例子，它們具有更復(fù)雜的電荷自旋關(guān)系，使有機(jī)自旋器件具有更豐富的特性。從

4、小分子到高分子，人們對(duì)有機(jī)材料的電磁光等特性的認(rèn)識(shí)越來越深入，無論從量子理論還是從經(jīng)典理論出發(fā)，都得到了與實(shí)驗(yàn)具有可比性的理論結(jié)果。特別地，近幾年來將有機(jī)半導(dǎo)體與自旋電子學(xué)結(jié)合，人們得到了一些令人振奮的新現(xiàn)象和新效應(yīng)，行成了一個(gè)新的學(xué)科分支--有機(jī)自旋電子學(xué)。 有機(jī)自旋電子學(xué)是研究有機(jī)功能材料及其相關(guān)器件中的自旋產(chǎn)生、消滅、轉(zhuǎn)移與存儲(chǔ)等物理現(xiàn)象和物理機(jī)理的學(xué)科。它包含與化學(xué)交叉的有機(jī)材料和與物理學(xué)科交叉的自旋電子學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域。將二

5、者結(jié)合，探討有機(jī)材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用顯然具有重要的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值和潛在的應(yīng)用背景，這也是當(dāng)前國(guó)際上許多課題組密切關(guān)注的一個(gè)研究方向。 2002年Dediu課題組首次報(bào)道了有機(jī)材料中的自旋注入和輸運(yùn)，他們采用半金屬CMR材料LaxSr1-xMnO3（LSMO）作極化電子給體，有機(jī)層采用sexithenyl（T6），實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了負(fù)磁電阻，表明有機(jī)層內(nèi)存在自旋極化注入，兩電極之間的輸運(yùn)電流是自旋極化的。近幾年，已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有

6、機(jī)材料中的自旋注入和輸運(yùn)現(xiàn)象。如2004年，Xiong等人制備了LSMO/Alq3/Co自旋閥，測(cè)得低溫下可以實(shí)現(xiàn)40％的磁電阻效應(yīng)；Majumdar等人采用LSMO作自旋極化電極，研究了LSMO/polymer/Co結(jié)構(gòu)中的自旋極化注入現(xiàn)象，著重討論了界面效應(yīng)的影響等等。 對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體中自旋注入和輸運(yùn)的理論研究包括以Xie等人為代表的量子理論和以Smith和Z．G．Yu等人為代表經(jīng)典理論兩個(gè)方面。前者能夠描述自旋極化輸運(yùn)的微觀

7、機(jī)理，而后者可以得到一些可以與實(shí)驗(yàn)比較的物理量。近幾年，人們已經(jīng)對(duì)有機(jī)材料中的自旋極化注入和輸運(yùn)做了大量的理論工作。但是一些具體的問題人們還不是很清楚，例如，有機(jī)半導(dǎo)體中極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化對(duì)自旋極化注入和輸運(yùn)的影響；有機(jī)半導(dǎo)體中雙極化子的濃度有什么因素決定?鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體界面處磁性原子對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體的滲透對(duì)于自旋極化注入和輸運(yùn)的影響等等。因此本論文將基于經(jīng)典的漂移－擴(kuò)散理論對(duì)上述問題展開相應(yīng)研究，研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1

8、、極化子和雙極化子對(duì)自旋極化注入和輸運(yùn)的影響 由于有機(jī)半導(dǎo)體具有強(qiáng)的電子－晶格相互作用，因此注入的電子將導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，最后形成一些電荷自陷態(tài)，如極化子和雙極化子等。極化子具有1/2自旋，但雙極化子不攜帶自旋。有機(jī)半導(dǎo)體中的極化子和雙極化子并不是完全無關(guān)的，在外界條件，如溫度、壓力或者外場(chǎng)等作用下，兩個(gè)自旋極化子可以湮滅成一個(gè)不帶自旋的雙極化子，一個(gè)雙極化子也可以解離成兩個(gè)極化子。Street等人曾經(jīng)建立自旋不相關(guān)的極化子相互

9、作用宏觀模型，來分析極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化問題。人們?cè)诓豢紤]極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，已經(jīng)對(duì)它們?cè)谧孕斶\(yùn)中的作用有了初步的了解。但是正如上面所述，極化子和雙極化子之間是存在轉(zhuǎn)化的，這種轉(zhuǎn)化對(duì)自旋極化注入和輸運(yùn)的影響會(huì)是怎樣呢?本文在Street模型的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)自旋相關(guān)的極化子－極化子相互作用模型，來描述極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化，并用以研究有機(jī)半導(dǎo)體器件中自旋的注入和輸運(yùn)?；诎藰O化子與雙極化子之間的轉(zhuǎn)化效應(yīng)和

10、極化子自旋反轉(zhuǎn)效應(yīng)的漂移－擴(kuò)散方程，我們計(jì)算了攜帶自旋的極化子和不攜帶自旋的雙極化子的演化情況。研究發(fā)現(xiàn)極化子在有機(jī)半導(dǎo)體中的自旋極化輸運(yùn)中起主要作用。但是不同于傳統(tǒng)的非有機(jī)半導(dǎo)體中的情況，不攜帶自旋的雙極化子將影響有機(jī)器件中的自旋極化率。最后，討論了載流子的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間和遷移率對(duì)有機(jī)器件中自旋極化率的影響，我們發(fā)現(xiàn)大的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間或遷移率有利于自旋在有機(jī)半導(dǎo)體中的輸運(yùn)。 2、有機(jī)自旋器件中影響雙極化子濃度的因素 在第三

11、章中，通過考慮極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化，我們發(fā)現(xiàn)雙極化子將對(duì)自旋極化輸運(yùn)有重要的影響。另外，Bobbert等人認(rèn)為產(chǎn)生有機(jī)磁電阻（OMAR：organic magnetoresistance）的原因是通過超精細(xì)相互作用，外磁場(chǎng)影響了自旋單態(tài)的生成幾率，從而影響雙極化子的含量。由此可見，雙極化子作為載流子在有機(jī)自旋器件的自旋相關(guān)輸運(yùn)中起重要作用，它的濃度在一定程度上將決定有機(jī)自旋器件的性能?？紤]極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化，我們基于漂移－

12、擴(kuò)散方程計(jì)算了雙極化子的濃度分布情況，討論了自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間、載流子遷移率等對(duì)雙極化子濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，極化子自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間的大小不影響雙極化子的飽和濃度，但是自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間的劈裂不利于輸運(yùn)過程中雙極化子的創(chuàng)生，這表明一個(gè)自旋非簡(jiǎn)并態(tài)不利于雙極化子的創(chuàng)生。我們還發(fā)現(xiàn)，遷移率的大小對(duì)雙極化子的飽和濃度沒有影響。但是雙極化子的飽和濃度隨著雙極化子和極化子遷移率之間的比值的減小而增大。 3、Co/有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中Co滲透對(duì)自旋極化輸運(yùn)的影

13、響 在有機(jī)器件如“Co/有機(jī)半導(dǎo)體/LSMO”的制備過程中，Co原子將滲透到柔軟的有機(jī)層而形成磁性滲透層。我們考慮有機(jī)層中包含兩個(gè)亞層：磁性滲透層和純凈有機(jī)層，并建立宏觀動(dòng)力學(xué)的自旋相關(guān)漂移－擴(kuò)散方程研究了磁性滲透層對(duì)自旋極化率和器件磁電阻的影響。我們發(fā)現(xiàn)由于磁性滲透層不同于純凈有機(jī)層的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間和遷移率，它將改變自旋的輸運(yùn)。由于滲透層中雜質(zhì)原子或團(tuán)簇的磁化作用，不同自旋的反轉(zhuǎn)時(shí)間將不同，這種自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間的劈裂將有利于自旋極化

14、率的輸運(yùn)。由于Co原子的額外散射，極化子在磁性滲透層中的遷移率將小于純凈有機(jī)層，這將減弱有機(jī)層中的自旋極化率，不利于自旋極化輸運(yùn)。對(duì)于一個(gè)給定的器件，我們討論了磁性滲透層厚度對(duì)自旋極化率的影響。我們還用Julliere公式計(jì)算了“Co/有機(jī)半導(dǎo)體/LSMO”器件的磁電阻，得到了和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好的結(jié)果。最后，我們討論了界面磁性滲透對(duì)自旋注入的影響，發(fā)現(xiàn)在磁性滲透的影響下，界面是自旋選擇性的，滲透層的磁化強(qiáng)度越大，自旋選擇性越強(qiáng)，越有利