有機(jī)磁性器件自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、有機(jī)材料在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都被認(rèn)為是絕緣體,直到上個(gè)世紀(jì)有機(jī)電子學(xué)逐漸興起,發(fā)現(xiàn)摻雜的有機(jī)材料具有較好的導(dǎo)電能力,這種傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)才被打破。有機(jī)半導(dǎo)體和分子電子學(xué)是有機(jī)電子學(xué)中兩個(gè)比較熱門(mén)的領(lǐng)域,其中有機(jī)半導(dǎo)體材料包括高分子聚合物和小分子,它們具有豐富的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)特性,已經(jīng)在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED),有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管(OFET),有機(jī)光伏電池(OPVC)等方面得到了廣泛應(yīng)用。分子電子學(xué)的發(fā)展使人們可以在分子層次.卜使用有機(jī)材料構(gòu)建功能性

2、更好的電子器件。目前,分子電子學(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論研究已經(jīng)廣泛展開(kāi),發(fā)現(xiàn)有機(jī)分子器件可以實(shí)現(xiàn)多種與傳統(tǒng)電子學(xué)類似的功能,如分子開(kāi)關(guān)、分子整流器、分子存儲(chǔ)器等邏輯功能器件。
　　 我們知道,電了具有兩個(gè)重要的內(nèi)稟屬性,即電荷和自旋。傳統(tǒng)的微電子技術(shù)只利用電荷流進(jìn)行信息處理,而自旋這一自由度沒(méi)有在實(shí)際應(yīng)用的電_了學(xué)技術(shù)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。實(shí)際上,人們?cè)缭?0世紀(jì)20年代就發(fā)現(xiàn)了電子的自旋特性,但直到20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)并用自旋相

3、關(guān)散射和二流體模型解釋之后,人們才開(kāi)始認(rèn)識(shí)電子自旋的應(yīng)用價(jià)值,于是對(duì)電子自旋的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。自旋電子學(xué)中電子的自旋或者是獨(dú)立地或者是跟電子的電荷相特性結(jié)合地作為信息儲(chǔ)存和傳輸?shù)妮d體。電子的自旋態(tài)具有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間,不容易被雜質(zhì)或缺陷的散射破壞,而且自旋較容易通過(guò)調(diào)節(jié)外部的磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行控制。人們正期待著利用電子自旋特性來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)行速度更高、能量消耗更低、功能多、高集成的下一代微電子器件,這種器件的尺寸將進(jìn)一步大大減小,進(jìn)入納米尺度范圍

4、,成為介觀物理相關(guān)研究的重要組成部分。
　　 特別地,近幾年來(lái)將有機(jī)電子學(xué)和自旋電子學(xué)相結(jié)合,得到了一些令人振奮的新現(xiàn)象和新效應(yīng),形成了一個(gè)新的學(xué)科分支一有機(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)制的學(xué)科,它包含化學(xué)有機(jī)材料和物理兩個(gè)領(lǐng)域。將二者結(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)

5、研究方向。由于有機(jī)材料具有較弱的自旋.軌道耦合和超精細(xì)相互作用,載流子的自旋弛豫時(shí)間比較長(zhǎng),因而是實(shí)現(xiàn)自旋極化輸運(yùn)的理想候選材料。不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的載流子,有機(jī)材料中載流子是孤子、極化子、雙極化子等準(zhǔn)粒子,它們具有更復(fù)雜的電荷自旋關(guān)系,使有機(jī)自旋電子學(xué)器件具有更豐富的特性。
　　 目前,實(shí)驗(yàn)上和理論上研究的有機(jī)自旋電子學(xué)器件主要有三類。第一類是磁性電極/非磁性有機(jī)材料異質(zhì)結(jié)型器件。實(shí)驗(yàn)上多采用半金屬的CMR材料LSMO和鐵磁性

6、的Co作為電極,中間層通常采用共軛低聚物六噻吩(T6)和小分子Alq3等。對(duì)這類器件的關(guān)注點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)有效的自旋極化注入和輸運(yùn)問(wèn)題。第二類器件是由普通的金屬電極和非磁性有機(jī)材料構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)上在很弱的磁場(chǎng)下(10mT)測(cè)得了有機(jī)磁電阻(OMAR)現(xiàn)象,對(duì)這種現(xiàn)象的解釋是目前有機(jī)自旋電子學(xué)領(lǐng)域一個(gè)新的難題。第_一類器件使用有機(jī)磁性分子作為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋相關(guān)功能性。有機(jī)磁性分子集有機(jī)材料和磁性材料的優(yōu)點(diǎn)于一身,近幾年來(lái)已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。這

7、種材料可以實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)和磁性的共存,并且具有輕質(zhì)、低消耗的優(yōu)點(diǎn),是有機(jī)自旋相關(guān)器件的優(yōu)質(zhì)候選材料。目前,對(duì)有機(jī)磁性分子器件的研究工作已經(jīng)初步展開(kāi),實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)制備出一些有機(jī)磁體,典型的如poly-BIPO等,它通過(guò)使用磁性側(cè)基取代氫原子的方式實(shí)現(xiàn)鐵磁性。緊接著,一些理論工作者對(duì)有機(jī)鐵磁體的磁性起源進(jìn)行了研究,得到了這種材料的自旋密度波性質(zhì),同時(shí)也研究了電子-電子關(guān)聯(lián)和邊界效應(yīng)的影響。用這種材料組裝器件,并對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究的工作也逐漸開(kāi)展,

8、得到自旋過(guò)濾和自旋整流等有趣的物理現(xiàn)象。
　　 綜上所述,有機(jī)自旋電子學(xué)領(lǐng)域剛剛起步,對(duì)很多具體的問(wèn)題還缺乏深入的研究。本論文以有機(jī)鐵磁器件為研究對(duì)象,結(jié)合了描述有機(jī)材料的一維緊束縛SSH(Su-Schrieffer-Heeger)模型以及計(jì)算介觀輸運(yùn)問(wèn)題的Landauer-Büttiker公式,采用格林函數(shù)和傳遞矩陣方法計(jì)算透射率,研究了體系的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)。論文首先系統(tǒng)地研究了自旋激發(fā)對(duì)有機(jī)磁性分子的基本性質(zhì)及其器件的自旋

9、極化輸運(yùn)性質(zhì)的影響,并對(duì)不同激發(fā)態(tài)的情況進(jìn)行了詳細(xì)的討論。同時(shí),在原來(lái)二通道模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了四通道模型,研究了自旋翻轉(zhuǎn)對(duì)有機(jī)鐵磁器件自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。本論文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　 1.自旋激發(fā)態(tài)對(duì)有機(jī)鐵磁器件電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響
　　 目前,對(duì)有機(jī)鐵磁材料的研究主要局限在基態(tài)體系,實(shí)際上,很多外界因素的影響如光、磁場(chǎng)、溫度等都有可能使磁性分子偏離基態(tài)。已經(jīng)有一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道了單分子磁體在自旋激發(fā)態(tài)下的輸運(yùn)特性

10、,并且發(fā)現(xiàn)了很多有趣的物理現(xiàn)象,如負(fù)微分電導(dǎo)和完全的電流壓制等,這些有可能與自旋激發(fā)的影響有關(guān)。本文的第三章以有機(jī)鐵磁分子poly-BIPO為對(duì)象,系統(tǒng)地研究了自旋激發(fā)態(tài)對(duì)有機(jī)鐵磁器件自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。
　　 1.1有機(jī)鐵磁分子中存在自旋激發(fā)時(shí),基態(tài)情況下正負(fù)交替的自旋密度將被破壞,自旋激發(fā)附近將出現(xiàn)局域的自旋密度波缺陷。對(duì)體系自旋激發(fā)能的研究發(fā)現(xiàn),耦合激發(fā)所消耗的能量最低,當(dāng)體系的自旋激發(fā)達(dá)到一定數(shù)量時(shí),自旋激發(fā)能不再發(fā)

11、生變化,被激發(fā)的區(qū)域形成一個(gè)穩(wěn)定的疇,激發(fā)能存在于疇壁中。
　　 1.2在固定偏壓下,隨著自旋激發(fā)數(shù)目的增加,體系的總電流將迅速降低,自旋極化電流在低自旋激發(fā)時(shí)的變化不大,但在高自旋激發(fā)態(tài)時(shí)將迅速降低為0.
　　 1.3由于器件中分子尺寸較短,有可能出現(xiàn)邊界效應(yīng),因此考慮了相同數(shù)H的自旋激發(fā)處于不同位置時(shí)對(duì)器件輸運(yùn)性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)自旋激發(fā)位置變化小會(huì)影響電流的自旋極化。
　　 1.4溫度效應(yīng)會(huì)使有機(jī)磁性分子產(chǎn)生集

12、體的激發(fā),取不同溫度下,側(cè)基自旋取向的方形隨機(jī)分布,發(fā)現(xiàn)低溫引起的自旋激發(fā)對(duì)器件的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì)影響不大,當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí),自旋極化迅速降低。
　　 2.自旋翻轉(zhuǎn)散射對(duì)有機(jī)鐵磁器件電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響
　　 隨著有機(jī)自旋電子學(xué)的發(fā)展,有機(jī)磁性材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注,因?yàn)樗Y(jié)合了有機(jī)材料的和磁性材料的優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)有相關(guān)研究表明,用有機(jī)鐵磁材料構(gòu)建分子器件可以實(shí)現(xiàn)自旋過(guò)濾和自旋整流的功能。然而,以往的大多數(shù)理論研究認(rèn)為有機(jī)

13、材料中的自旋弛豫時(shí)間較長(zhǎng),電子在輸運(yùn)過(guò)程中不發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn),因此在計(jì)算輸運(yùn)問(wèn)題時(shí)通常都采用二通道模型。在實(shí)際過(guò)程中,許多外界條件和內(nèi)部因素都有可能使電子白旋在輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生翻轉(zhuǎn)。論文的第四章設(shè)計(jì)了金屬/有機(jī)鐵磁體/金屬三明治結(jié)構(gòu),考慮輸運(yùn)過(guò)程中的自旋翻轉(zhuǎn),用傳遞矩陣的方法對(duì)器件的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究。
　　 2.1對(duì)有機(jī)鐵磁材料的基本性質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),存在自旋翻轉(zhuǎn)散射時(shí),有機(jī)鐵磁分子不同的自旋軌道發(fā)生混合,電子不再處于自旋本征

14、態(tài)上,而是處于一種自旋混合態(tài)；能帶寬度和帶隙會(huì)隨著自旋翻轉(zhuǎn)參數(shù)的增加發(fā)生一定的變化,半導(dǎo)體有機(jī)磁性分子將向有利于導(dǎo)電的趨勢(shì)變化；當(dāng)自旋翻轉(zhuǎn)參數(shù)達(dá)到一定值時(shí),中間有機(jī)分子的二聚化消失,晶格均勻排列。
　　 2.2考慮π電子的自旋翻轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí),器件的開(kāi)啟偏壓變小,更有利于導(dǎo)通,并且通過(guò)器件的電流自旋極化率減少,不能實(shí)現(xiàn)將近100％的自旋過(guò)濾,但在很大的偏壓范圍內(nèi)可以保持較高的值,器件仍然具有自旋過(guò)濾的功能。
　　 2.3海森堡