有機(jī)自旋三極管的理論模型與性質(zhì)研究.pdf

1、二十世紀(jì),以電子電荷為基礎(chǔ)的微電子學(xué)取得了巨大成就,但是電子既有電荷特性又有自旋特性。在傳統(tǒng)的微電子器件中,一直沒(méi)有考慮到電子的自旋,只把電子看成電荷的載體.自1988年,自旋電子學(xué)(Spintronics)開始作為一門新的學(xué)科進(jìn)入研究領(lǐng)域.電子自旋的注入和輸運(yùn)過(guò)程開始引起人們的重視,并逐步被展開研究。自旋注入的研究主要包括從鐵磁金屬到導(dǎo)體;鐵磁金屬到超導(dǎo)體;鐵磁金屬到非磁性半導(dǎo)體以及磁性半導(dǎo)體到非磁性半導(dǎo)體,或這些構(gòu)型的復(fù)合等.

2、>　　有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)具有較弱的自旋—軌道相互作用,更有利于自旋的注入與輸運(yùn),因此成為了自旋輸運(yùn)的最佳候選材料之一.有機(jī)材料中實(shí)現(xiàn)自旋極化注入和輸運(yùn)已經(jīng)成為自旋電子學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn).有機(jī)半導(dǎo)體與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比,具有更豐富的電、磁、光學(xué)特性,已經(jīng)在有機(jī)電致發(fā)光器件、自旋閥等方面得到了廣泛的研究與應(yīng)用,取得了一定的成果,形成了一個(gè)新的學(xué)科分支——有機(jī)自旋電子學(xué).
　　實(shí)驗(yàn)方面,2002年,Dediu研究組首次報(bào)道了La0.7Sr0.3M

3、nO3/T6/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO/T6/LSMO)三明治結(jié)構(gòu)中的自旋注入和輸運(yùn).2004年,Xiong等人在LSMO/Alq3/Co有機(jī)自旋閥中開展了自旋注入和輸運(yùn)的重要實(shí)驗(yàn).2006年，Majumdar等人采用LSMO作為自旋極化電極,研究了LSMO/polymer/Co三層結(jié)構(gòu)中的自旋極化注入與輸運(yùn),著重討論了界面效應(yīng)的影響等.2008年,Dediu研究組再次報(bào)道了LSMO/Alq3/Al2O3/Co結(jié)構(gòu)自旋閥中

4、的自旋極化和輸運(yùn),結(jié)構(gòu)中在Alq3和Co電極之間加了一層絕緣的隧穿勢(shì)壘層Al2O3,大大提高了自旋注入效率.2009年,Zhang等人研究了Alq3/Al2O3/Co結(jié)構(gòu)中的自旋極化注入和輸運(yùn),對(duì)自旋極化注入和輸運(yùn)受緩沖層Al2O3的影響進(jìn)行了討論.
　　理論方面,主要包括量子理論(以Xie等人為代表)和經(jīng)典理論(以Ruden，Smith以及Yu等人為代表)兩種方法.量子理論可以從微觀角度理解鐵磁/有機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及自旋輸運(yùn)的動(dòng)力

5、學(xué);從經(jīng)典的自旋擴(kuò)散方程出發(fā),借助歐姆定律等,可給出鐵磁/有機(jī)系統(tǒng)的電流自旋極化率等宏觀可測(cè)量.
　　本論文在鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體一維結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了T型結(jié)構(gòu)有機(jī)半導(dǎo)體器件,從自旋擴(kuò)散漂移方程和歐姆定律出發(fā),考慮到有機(jī)半導(dǎo)體特殊載流子的電荷—自旋關(guān)系以及界面效應(yīng),對(duì)影響器件電流自旋極化率的因素進(jìn)行了詳細(xì)研究,結(jié)果表明T型結(jié)構(gòu)有機(jī)半導(dǎo)體器件在一定條件下能夠?qū)﹄娏髯孕龢O化率起到放大作用,因此我們稱為有機(jī)自旋三極管.具體內(nèi)容和基本結(jié)果

6、如下:
　　1、極化子和雙極化子對(duì)電流自旋極化率和放大率的影響有機(jī)半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的電子—晶格相互作用,注入的電子會(huì)使晶格發(fā)生畸變,形成電荷自陷態(tài),如極化子和雙極化子等.在外界條件的影響下,如溫度、壓力以及外場(chǎng)等,極化子和雙極化子之間能夠相互轉(zhuǎn)化;并且材料的性質(zhì)能夠影響極化子和雙極化子的產(chǎn)生能,所以不同的材料中產(chǎn)生極化子和雙極化子的數(shù)目和比例也不同.本文中假設(shè)有機(jī)半導(dǎo)體中極化子以一定比例存在,不考慮極化子的衰減以及與雙極化子之間的轉(zhuǎn)

7、化,計(jì)算了極化子比率從0到1的變化過(guò)程中對(duì)器件電流自旋極化率的影響,結(jié)果表明電流自旋極化率與極化子比率密切相關(guān),極化子比率越大,電流自旋極化率就顯著提高.因此選用極化子產(chǎn)生能較低的材料更利于自旋極化的注入,適合的極化子比率能夠?qū)崿F(xiàn)電流自旋極化率的有效放大.
　　2、電場(chǎng)對(duì)電流自旋極化率和放大率的影響自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度標(biāo)志著自旋注入強(qiáng)度的大小,它易受外界條件的影響,如溫度、外場(chǎng)以及外界壓力等.電場(chǎng)影響T型結(jié)構(gòu)各分支中電流密度,進(jìn)而影響此器

8、件的電流自旋極化性質(zhì).我們只考慮電場(chǎng)對(duì)自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的影響,間接得到了電場(chǎng)對(duì)自旋極化電流的影響,并得出了關(guān)系式.通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),較強(qiáng)的電場(chǎng)能夠提高自旋注入效率,但不利于T型結(jié)構(gòu)對(duì)自旋極化的放大.
　　3、界面電阻對(duì)界面處電流自旋極化率的影響通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)自旋相關(guān)的界面電阻來(lái)提高 T型有機(jī)自旋器件的自旋注入效率.界面電阻是能夠通過(guò)隧穿勢(shì)壘獲得的.有機(jī)半導(dǎo)體能夠在層結(jié)構(gòu)上自組織生長(zhǎng)規(guī)則的單層膜,而且能夠用來(lái)制作規(guī)則的自旋相關(guān)的隧