鐵磁-有機半導(dǎo)體-鐵磁結(jié)構(gòu)中自旋注入輸運性質(zhì)的理論研究.pdf

1、自旋電子學(xué)自1994年被確認為凝聚態(tài)領(lǐng)域的一個新型交叉學(xué)科而備受科學(xué)界和電子工業(yè)界的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。自旋電子學(xué)的出現(xiàn)被稱為是1999年物理學(xué)界十大重大事件之一，它的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、信息科學(xué)及新材料等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的研發(fā)熱點，并將成為本世紀信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對未來的電子工業(yè)發(fā)展將起到舉足輕重的作用。作為信息產(chǎn)業(yè)基本元素的半導(dǎo)體器件，是以電子(或空穴)的電荷特征來傳遞信息。具體地說，通常電子在輸運過程中由于碰撞而導(dǎo)致自旋磁

2、矩在空間的取向混亂，因此在宏觀輸運性質(zhì)中僅需要考慮電子具有電荷就足夠了。自旋電子學(xué)不僅利用了電子的電荷特性，而且還考慮了電子的自旋特性，它將通過操縱電子自旋來進行信息處理。隨著未來加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子器件的尺寸越做越小，當(dāng)尺度在納米范圍內(nèi)，自旋在很多方面要比電荷更優(yōu)越，如數(shù)據(jù)處理快、能耗低集成度高、穩(wěn)定性好等。因此，自旋電子將會逐步取代微電子而成為工業(yè)的主流。具體講來，自旋電子學(xué)就是一門以研究電子的自旋極化輸運特性以及基

3、于這些特性而設(shè)計、開發(fā)新的電子器件為主要內(nèi)容的一門交叉學(xué)科，其研究對象包括電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。
　　自旋電子學(xué)的研究大多數(shù)使用的是無機半導(dǎo)體。然而相比于無機半導(dǎo)體，有機半導(dǎo)體又有它的特色，柔性的原子結(jié)構(gòu)使它容易與任何材料形成良好的界面，從而降低注入勢壘。弱的自旋軌道耦合和超精細相互作用，使自旋具有更長的弛豫時間。由于有機半導(dǎo)體具有強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

4、，最后形成電荷自陷態(tài)，使得有機半導(dǎo)體中的載流子是極化子、雙極化子和孤子等準粒子，它們具有獨特的電荷-自旋關(guān)系，從而使有機半導(dǎo)體具有更復(fù)雜的自旋注入和輸運性質(zhì)。探討有機半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)及生命系統(tǒng)中的功能和應(yīng)用具有重要意義。由此將自旋電子學(xué)和有機半導(dǎo)體結(jié)合，得到了一些具有新的功能的電子器件，形成了一個新的學(xué)科分支—有機自旋電子學(xué)。
　　有機自旋電子學(xué)將有機半導(dǎo)體材料作為研究對象，通過外加磁場、電場等條件研究有機半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子的自

5、旋特性，是自旋電子學(xué)與有機半導(dǎo)體相結(jié)合的交叉學(xué)科。有機半導(dǎo)體具有豐富的光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，并且已經(jīng)在OLED(Organic Light Emitting Diodes)、顯示器等方面得到了廣泛的應(yīng)用，如高分子-金屬配合物、分子內(nèi)含氮氧穩(wěn)定自由基結(jié)構(gòu)的有機化合物、平面大∏鍵結(jié)構(gòu)的有機物以及電子轉(zhuǎn)移復(fù)合物等，這些本身具有磁性的有機半導(dǎo)體為研究其內(nèi)部的自旋特性提供了有利條件。有機自旋電子學(xué)作為一個頗具潛力新興領(lǐng)域正吸引著越來越來多的人對其

6、機理和性質(zhì)進行研究，其重要的應(yīng)用研究方向有:有機自旋閥器件、自旋有機電致發(fā)光器件(OLED)和有機磁阻器件 OMAR(Organic magnetoresistance)。探討有機材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)研究價值和潛在的應(yīng)用背景，這也是當(dāng)前國際上許多課題組密切關(guān)注的一個研究對象。
　　有機自旋電子學(xué)作為自旋電子學(xué)新的分支領(lǐng)域已經(jīng)引起了人們足夠的重視。2002年Dediu研究組首次報道了室溫下有機半導(dǎo)體的自旋注入和輸

7、運，并且在La0.7Sr0.3MnO3/T6/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO/T6/LSMO)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了負磁阻，表明有機層內(nèi)存在自旋極化注入，兩電極之間的輸運電流是自旋極化的。2004年，Xiong等人合成了LSMO/Alq3/Co有機自旋閥，在低溫11K下得到了40％的負磁阻，同時發(fā)現(xiàn)溫度效應(yīng)特別明顯，在室溫下幾乎觀測不到磁阻。2006年，Majumdar等人采用LSMO作為自旋極化電極，研究了LSMO/polymer/Co結(jié)

8、構(gòu)中的自旋極化注入現(xiàn)象，重點討論了界面效應(yīng)的影響等。
　　對有機半導(dǎo)體中自旋注入和輸運理論研究包括以Xie等人為代表的量子理論和以Smith和Z。G。Yu等人為代表的經(jīng)典理論兩個方面。前者能夠描述自旋極化輸運的微觀機理，而后者可以得到一些與實驗比較的物理量。近幾年，人們已經(jīng)對有機材料中的自旋極化注入和輸運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，電場對鐵磁/有機半導(dǎo)體兩層結(jié)構(gòu)自旋注入的影響，磁場對兩層結(jié)構(gòu)自旋注

9、入和自旋極化的影響，電場和磁場對三層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機半導(dǎo)體/鐵磁自旋注入輸運以及磁阻的影響，極化子比率對其自旋注入輸運以及自旋極化的影響，自旋相關(guān)的界面電阻對其自旋注入以及自旋極化的影響等等。本文基于經(jīng)典的漂移-擴散理論上對上述問題展開相應(yīng)的研究，研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.電場對兩層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機半導(dǎo)體自旋極化注入輸運的影響。
　　自從2002年 Dediu課題組研究了在鐵磁有機材料中的自旋注入問題，測量了其在室溫下的自旋

10、擴散長度是200nm。其自旋擴散長度不僅與載流子有關(guān)系，而且還與外加的溫度、壓力、電場有關(guān)系。這里我們只討論電場對其自旋擴散長度的影響。在電場的作用下，其擴散長度將發(fā)生變化。我們通過理論計算與推導(dǎo)，重新定義了擴散長度，并且根據(jù)新的擴散長度的定義我們又得出了自旋擴散電流的表達式。這對我們進一步研究電流自旋注入有機半導(dǎo)體具有非常重要的意義。基于自旋擴散漂移方程和歐姆定律，理論研究了電場對鐵磁/有機半導(dǎo)體界面的電流自旋極化性質(zhì)的影響?？紤]到有

11、機半導(dǎo)體內(nèi)特殊的載流子以及電場對其自旋擴散長度的影響，計算了界面處的電流自旋極化率。結(jié)果表明，高電場可以使界面處的電流自旋極化率得到有效提高。同時還進一步研究了電場下有機半導(dǎo)體中極化子比率、自旋相關(guān)界面電阻等因素對電流自旋極化的影響。
　　2.磁場、電場對兩層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機半導(dǎo)體自旋極化注入輸運的影響。
　　我們理論研究了外加電場和磁場自旋擴散長度并進一步對鐵磁/有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自旋極化注入和輸運的影響?；谧孕龜U散漂移方程

12、和歐姆定律，考慮到有機半導(dǎo)體中特殊的載流子，我們得到了電流自旋極化率。結(jié)果表明，通過改變電場和磁場的大小可以使電流自旋極化率得到一定程度的提高。同時從自旋相關(guān)界面電阻和有機半導(dǎo)體中特殊載流子(極化子和雙極化子)等因素的影響可以得到顯著的電流自旋極化率。
　　3.磁場、電場對三層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機半導(dǎo)體/鐵磁自旋極化電流和磁阻的影響。
　　在前面我們已經(jīng)詳細的描述了電場、磁場對鐵磁/有機半導(dǎo)體兩層結(jié)構(gòu)的自旋極化輸運性質(zhì)的影響，由于