稀土Sm摻雜八羥基喹啉類有機小分子薄膜的特性研究.pdf

1、隨著消費電子領(lǐng)域向輕、薄、大面積、柔性可折疊、節(jié)能環(huán)保、生物兼容、可穿戴等方向發(fā)展，有機半導(dǎo)體材料與器件研究受到世界各主要國家的重視，成為半導(dǎo)體及電子領(lǐng)域的熱門前沿方向之一。有機半導(dǎo)體因其主要由輕元素組成，自旋軌道耦合相互作用及超精細(xì)相互作用弱，因此具有極長的自旋弛豫時間，是一類極有前景的自旋電子材料，有望先于無機半導(dǎo)體實現(xiàn)速度更快、超低功耗、數(shù)據(jù)非揮發(fā)的多功能新型自旋器件。新世紀(jì)以來，基于有機半導(dǎo)體的自旋電子器件如有機自旋閥、有機自旋

2、發(fā)光二極管、有機磁性隧道結(jié)等先后研制成功，顯示了有機半導(dǎo)體材料在自旋電子領(lǐng)域的光明前景。然而，由于自旋極化電極與有機層的匹配等問題的存在，目前有機自旋器件只在低溫下具有較好的性能，在室溫下的性能不高。開發(fā)具有鐵磁性的有機半導(dǎo)體材料，作為自旋注入電極層或緩沖層材料，有望解決電導(dǎo)率不匹配造成的自旋注入效率問題，進而提高自旋電子器件及自旋光電子器件的室溫性能。
　　在本論文中，我們選取具有優(yōu)異光電性質(zhì)的八羥基喹啉類有機小分子材料和稀土釤

3、金屬元素，利用真空熱蒸發(fā)方法制備了兩種稀土摻雜八羥基喹啉有機小分子材料;測試表征了其形貌結(jié)構(gòu)，并分析了稀土元素與有機分子的結(jié)合情況及電荷轉(zhuǎn)移情況;測試了樣品的磁性，分析了其磁性機理，獲得了具有室溫鐵磁性的有機小分子材料，為研制基于該磁性材料的有機自旋電子器件及光電子器件提供了材料基礎(chǔ);測試了樣品的光學(xué)性質(zhì)，研究了稀土摻雜對樣品光學(xué)性質(zhì)的影響，獲得了同時具有鐵磁性、半導(dǎo)體導(dǎo)電性和優(yōu)異光電性質(zhì)的多功能有機材料，為研發(fā)集電子學(xué)、光學(xué)及磁學(xué)于一

4、體的多功能及多場調(diào)控新型自旋器件提供了材料基礎(chǔ)。
　　主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　一、稀土Sm摻雜八羥基喹啉鎵(Gaq3)的制備、結(jié)構(gòu)、磁性及光電性質(zhì)研究。使用真空共蒸發(fā)方法首次制備了一系列不同摻雜濃度的稀土Sm摻雜Gaq3薄膜，并在樣品中觀察到了室溫鐵磁性，最大矯頑力為103.32 Oe，飽和磁化強度為4.1×10-6 emu。通過分析磁性隨Sm摻雜濃度的變化發(fā)現(xiàn)，樣品的飽和磁化強度和矯頑力隨著摻雜濃度的增大而增大，在名

5、義摻雜濃度為15 wt.％時達(dá)到最大值，繼續(xù)增大Sm濃度則樣品磁性降低。我們對摻雜薄膜進行了結(jié)構(gòu)分析，觀察了摻雜薄膜的表面形貌，排除了金屬Sm團簇的因素;分析FTIR圖譜得出了摻雜之后分子結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯的變化，說明摻雜金屬Sm并未改變Gaq3的結(jié)構(gòu)，進而通過分析XPS圖譜得出金屬Sm原子作為施主原子有電子轉(zhuǎn)移至Gaq3分子，影響了Gaq3分子中N-Ga鍵，形成了兩個新的峰位。然后，我們研究了摻雜薄膜的光電性質(zhì)，通過對吸收光譜的測試，得

6、到了在摻雜濃度為15 wt.％時摻雜薄膜的禁帶寬度出現(xiàn)了明顯的變寬，可以理解為金屬Sm原子向吡啶環(huán)上轉(zhuǎn)移了電子，導(dǎo)致HOMO和LUMO之間能帶變寬，我們還研究了摻雜薄膜的光致發(fā)光性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在低摻雜濃度時有輕微的藍(lán)移現(xiàn)象，在重?fù)诫s時出現(xiàn)了明顯的紅色熒光峰位，說明摻雜的金屬Sm影響了系統(tǒng)間的穿越常數(shù)(Kisc)。我們還研究了退火對Sm摻雜Gaq3薄膜的影響。
　　二、金屬Sm摻雜八羥基喹啉錳(Mnq2)的制備、結(jié)構(gòu)及磁性研究。選用室溫

7、順磁性稀土金屬釤(Sm)，和順磁性的Mnq2有機小分子，利用真空共蒸發(fā)方法首次制備了稀土Sm摻雜的Mnq2薄膜材料。原子力顯微鏡AFM研究顯示當(dāng)稀土金屬Sm的質(zhì)量比為7 wt.％時，摻雜薄膜均方根粗糙度為1.9 nm，與純凈的Mnq2薄膜起伏相近，顯示Sm摻雜對Mnq2表面影響不大。交變梯度磁強計(AGM)室溫磁性測試表明，經(jīng)過稀土摻雜后樣品呈現(xiàn)室溫鐵磁性，其磁性在Mn:Sm原子比為5.8∶1時最強，矯頑力約為103.6Oe，飽和磁化強