有機半導體中載流子的自旋極化性質研究.pdf

1、與無機半導體和全碳材料（如碳納米管、石墨烯等）相比，有機半導體材料有諸多不同。大部分有機半導體材料在形貌上高度無序，化學純度不高，元素之間通過共價鍵結合，分子之間通過范德瓦耳斯力結合。過去三十多年來，有機半導體作為重要的電磁光功能材料已取得長足發展。與無機器件相比，有機半導體器件具有價格低、易制備、柔性等優點，因而在應用方面有十分廣闊的前景。有機發光二極管，有機太陽能電池，有機場效應管，有機激光器和有機傳感器等均已研制出來。隨著以有機發

2、光二極管為代表的有機電子學器件在實際應用中獲得巨大成功，有機自旋電子學也已進入到大規模研究活動中。有機自旋電子學的研究催生了一系列對磁場敏感的概念器件的發明，如磁場傳感器、自旋閥、自旋有機發光二極管等。以器件為導向的研究進展迅速，但有機自旋電子學不僅包含自旋相關的技術，也包含對器件中電子自旋物理過程的理解。目前文獻中已經提出大量的物理模型和假設。
　　有機半導體中的載流子為極化子和雙極化子，而且輸運多為分子間躍遷的模式，這導致有機

3、半導體載流子遷移率很低。材料的高無序性導致載流子密度在同一種材料的不同樣品中也可能是不同的。有機自旋電子學不僅包含信息載流子的自旋交換，還包含對磁場敏感的載流子輸運，這些現象都與自旋弛豫有關。在有機自旋閥器件中，自旋極化電流從具有不同矯頑力的鐵磁電極注入到有機活性層中。由于兩電極的磁化方向可以獨立改變，該器件可以制成載流子自旋過濾器。反過來，由于器件對外磁場敏感，又可用作磁場探測器。自旋閥器件要求載流子遷移率高，自旋弛豫時間長。有機半導

4、體中自旋-軌道耦合較弱，這似乎對自旋極化的保持有利。但有機半導體遷移率低、超精細場強、高無序、載流子自旋高定域性又都不利于自旋極化的保持。這些特點一方面會使有機自旋電子學在基本原理以及技術上顯得豐富多樣，另一方面也給自旋現象的實驗研究帶來了困難。由于存在電極雜散場，傳統的磁光克爾效應顯微技術不再適用。迄今為止，最有可能在微觀上追蹤自旋極化的實驗有兩個，一是μ子自旋轉動譜法，根據實驗測量，有機半導體中自旋擴散長度只有納米量級。另一個實驗是

5、雙光子光電子發射譜實驗，這個實驗給鐵磁/有機層界面自旋注入提供了令人信服的證據，但卻不能探測有機半導體材料中的自旋極化輸運。
　　發現電荷輸運受磁場影響的現象，進一步使問題變得復雜。有機磁電阻效應(OMAR)指的是有機發光二極管器件在弱磁場（幾十個mT）下，其電阻可以有高達1-10％的變化率。近十年來，在不同有機材料，特別是溶液和真空蒸發制備的聚合物薄膜有機發光二極管器件中，有機磁電阻效應均有報道。磁電阻的大小、正負、偏壓依賴關系

6、均有研究。幾個mT量級的OMAR和磁電致發光也有報道。還有研究發現OMAR可以在磁場變化過程中改變符號。一個有意思的觀點是，OMAR可能揭示了有磁場感官能力的鳥利用地磁場判斷方向的物理機制，而且有可能涉及宏觀室溫量子相干現象。
　　目前關于OMAR效應，主要的理論模型包括:電子-空穴對機制（或者叫載流子對機制），雙極化子機制和激子-極化子碰撞機制。在電子-空穴對模型中，自旋弛豫過程控制了單態和三重態電子-空穴對的相互轉化，而單、三

7、重態電子-空穴對的濃度共同決定了器件的電導率。外加靜磁場可以改變超精細場對自旋弛豫的影響，從而出現磁電阻。通常認為，這一模型只能描述或正、或負的OMAR，但不能同時描述兩者。激子極化子碰撞模型認為，三態激子與極化子碰會撞導致極化子遷移率下降，而外磁場可以改變三重態激子的濃度，進而改變碰撞次數，產生磁電阻效應。這兩個模型都需要器件中同時存在正負載流子，但OMAR還可以在單極器件中出現。Bobbert等人提出，通過引入雙極化子，可以很好地解

8、釋單極器件中的OMAR。模型認為外磁場可以調控極化子和雙極化子比率，由于極化子和雙極化子的遷移率不同，導致加磁場前后電導率不同。有實驗在單極器件中發現了高達2000％的OMAR，也可以很好地用雙極化子模型來解釋。對于器件中磁相互作用的來源，有研究考慮了超精細相互作用和自旋-軌道相互作用，還有研究認為外磁場對載流子的洛侖茲力改變了載流子在格點間的躍遷積分，進而改變電流，產生磁電阻現象。目前，有機磁電阻研究最大的挑戰在于從實驗上直接檢驗這些

9、理論的正確性。目前有實驗組利用光譜技術開展相關的研究。
　　OMAR效應的發現促進了人們對有機半導體材料中載流子自旋特性的深入思考。2010年，Tarafder等人通過第一性原理計算發現，Alq3分子中注入電子會出現凈磁矩。計算發現，Alq3分子在電子注入前后，三個Al-N鍵和三個Al-O鍵會發生變化，同時費米面附近會發生自旋劈裂。他們研究了諸如電荷量從0到1.5 e時分子自旋極化的情況，發現分子的自旋極化隨注入電荷量成正比。因為

10、Alq3分子中包含金屬元素，其中的物理過程更為復雜。Hou等人計算了純有機聚噻吩分子中電荷注入引起的自發自旋極化情況。根據他們的計算，注入電荷量少的時候，系統不會出現自旋極化，只有注入電荷量的達到一定值后，系統才會出現自旋極化。另外分子的聚合度也會對自旋極化的大小有影響。
　　有機半導體中注入載流子的自發自旋極化以及載流子遷移率受磁場調控等現象的發現，都預示著有機半導體中載流子有豐富的電荷和自旋特性。而室溫有機多鐵現象的發現更加豐

11、富了人們對于有機半導體材料的認識。多鐵材料指的是能同時顯示出兩個及以上鐵性序參量的材料，如鐵電性、鐵磁性和鐵彈性。近十年來，多鐵材料以其豐富的物理性質，以及在自旋電子學、光電、熱電和傳感器等領域的潛在應用，迅速成為科學研究的熱點。而室溫有機多鐵現象的發現和研究，為低成本、大面積地制備和開發實用型器件提供了新的思路。2009年，Giovannetti等人采用第一性原理計算結合模型方法，首次預言了在TTF-CA電荷轉移鹽材料中會出現多鐵現象

12、。在這之后，幾種具有磁電耦合性質的復合物器件在實驗上被制備出來。2012年，Ren等人報道了在nw-P3HT/C60復合物中觀測到光激發鐵磁性現象。他們發現，在P3HT納米線單晶中摻入C60后，光照會使器件呈現明顯的鐵磁性。實驗進一步發現，外電場、應力等外界刺激也會對材料磁化強度有影響。通常在無機多鐵材料中，磁電序出現的居里溫度較低。但激發鐵磁性不受這一限制，從而為室溫多鐵開辟了新的領域。
　　綜上所述，有機半導體材料中的載流子有

13、豐富的自旋特性，實驗上也發現了很多新現象，但很多具體問題背后的物理機制還需要仔細研究，以便更好地理解有機半導體中載流子的自旋特性。本論文從機半導體中載流子的自旋特性入手，采用經典的躍遷理論和一維Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型，分別研究了有機磁電阻現象，有機半導體中電荷注入引起的自發自旋極化和有機電荷轉移復合物器件中的光激發鐵磁性現象。以下是具體的研究內容和基本結論。
　　1.OLED器件中的磁電阻效應。關于

14、實驗上發現的有機磁場效應，目前人們已經提出幾個理論。我們這里采用經典的Marcus躍遷模型，提出磁場引起載流子能級的賽曼劈裂，并改變電子在分子間躍遷率的模型，給出有機磁電阻效應的一個經典的解釋。此外我們還考慮了超精細相互作用，考慮了外磁場對載流子的洛倫茲力，計算發現，在低溫下，賽曼劈裂引起的載流子躍遷率的改變可能是有機磁電阻效應的一個來源。但是在高溫下，有機非磁性器件中外磁場引起電流的變化，更多是磁場對載流子的洛侖茲力引起的。
　

15、　2.有機半導體中電荷注入引起的自發自旋極化。我們在Hou等人研究基礎上，采用擴展的一維SSH模型，考慮電子-電子相互作用，自旋反轉相互作用以及自旋-軌道耦合，理論研究了聚噻吩中電荷注入引起的自發自旋極化現象。模型方法的優勢在于可以方便地計算更長的分子鏈，更多的電荷注入和更方便的參數分析。計算發現，隨著電-聲耦合常數的增大，系統電子態會出現從擴展到局域的突變，伴隨著電子態局域的出現，自旋極化隨之產生，因此有機材料強的電-聲相互作用是出現

16、自發自旋極化的前提。相同電荷注入量下，不同聚合度的聚噻吩，其自旋磁矩也會有所不同，我們認為這都與電荷在分子中的局域度有關。對于小分子，分子尺寸很小，注入到分子中的電荷很容易形成局域態，因此即使注入很少電子，系統仍然可以出現自旋極化。而在高分子中，注入電荷量很少時，注入的電荷先是形成擴展態，注入電荷量增加到一定程度時局域態才會出現，并與之相伴產生自旋極化。對于自旋-軌道耦合，因為有機材料中自旋-軌道耦合強度很小，計算發現自旋-軌道耦合對自

17、旋極化幾乎沒有影響。
　　3.有機電荷轉移復合物中的激發鐵磁性。圍繞Ren等人在電荷轉移復合物中發現的光激發鐵磁性，我們采用擴展的一維緊束縛模型，計算了有機電荷轉移復合物中，激子和電荷轉移態的自旋極化情況和變化規律。一般認為，帶間光激發產物是單態激子，三態激子因為躍遷禁阻，其數目可以忽略。而考慮自旋相關的相互作用之后，自旋不再是好的量子數，所有的激子都會變成單態和三態激子的疊加態。計算發現，對于電荷轉移態，電子給體和受體上的自旋極