有機半導體中電流自旋極化性質研究.pdf

1、電子既有電荷又有自旋。以電子電荷為基礎的微電子學在二十世紀取得了巨大成功，但是在傳統的微電子器件中，電子的自旋卻一直被人們忽視，電子只被看成電荷的載體，不同數目的電子或空穴豐富了半導體材料的輸運特性。金屬自旋閥中巨磁電阻(GMR，giant magnetoresistance)和隧道磁電阻(TMR，tunneling magnetoresistance)效應的發現引發了磁存儲和磁記錄領域的革命，并由此產生了圍繞電子自旋的控制、輸運、測量

2、等的一門全新的學科一自旋電子學(Spintronics)。電子自旋注入和相關的輸運過程是當前感興趣和廣泛被研究的課題。自旋注入包括從鐵磁金屬到超導體；鐵磁金屬到導體；鐵磁金屬到非磁性半導體以及磁性半導體到非磁性半導體，或這些構型的復合等。 自旋電子學基于磁學和微電子學，它不但研究電子電荷的輸運特性，同時也研究電子自旋在固體材料中的輸運特性，以及設計開發基于電子自旋相關效應下工作的器件。自旋電子器件有希望同時利用電子的電荷和自旋

3、來進行信息的傳輸和存儲，這會大大提高現有電子器件的工作速度和效率。利用電子的自旋還可能制備出具有全新物理性能的半導體電子器件，甚至實現量子存儲和量子計算。二十世紀九十年代起傳統自旋閥已經在計算機中獲得了廣泛的應用。 與傳統的半導體相比，有機半導體的合成要容易得多。有機半導體具有豐富的電學、光學和磁學特性，并且已經在有機發光器件OLED(Organic Light Emitting Diodes)、顯示器等方面得到了廣泛的應用。由

4、于自旋一軌道相互作用比較弱，有機半導體成為自旋輸運的最佳候選材料之一。有機材料中實現自旋極化注入和輸運將是自旋電子學的下一個研究熱點。2002年，Dediu研究組首次報道了La<,0.7>Sr<,0.3>MnO<,3>／T6／La<,0.7>Sr<,0.3>MnO<,3>三明治結構中的自旋注入和輸運。隨后2004年，Xiong等人在La<,0.7>Sr<,0.3>MnO<,3>／Alq<,0.3>／Co有機自旋閥中開展了自旋注入和輸運的

5、重要實驗。研究有機半導體內的自旋注入和輸運對進一步理解有機材料的物理性質，探討其在自旋電子學及生命系統中的功能和應用具有重要的科學意義。 有機半導體中自旋注入和輸運的理論研究包括以Xie等人為代表的量子理論和以Ruden、Smith以及Yu等人為代表的經典理論兩個方面。微觀的量子力學研究可理解鐵磁／有機系統的微觀結構以及自旋輸運動力學;從經典的自旋擴散方程出發，借助歐姆定律等，可給出鐵磁／有機系統的電流自旋極化。 本論

6、文基于“鐵磁／半導體”的自旋極化輸運的半經典連續模型圖象，針對有機半導體特殊的載流子電荷一自旋關系，從自旋擴散方程和歐姆定律出發，給出有機半導體電流密度的自旋極化特性。界面效應也給予了充分的考慮。同時對影響有機半導體中電流自旋極化率和磁電阻的因素進行了詳細研究。具體內容和基本結果如下： 1．對有機半導體中的自旋注入 由于有機半導體具有強的電子一晶格相互作用，因此注入的電子將導致晶格發生畸變，最后形成一些電荷自陷態，如極化

7、子和雙極化子等，它們理論上可以在非簡并共軛聚合物中從Su-Schrieffer-Heeger-like哈密頓量求得。通過電荷一自旋共振ESR(electron-spin-resonance)實驗也可以探測到極化子和雙極化子。極化子具有1／2自旋，雙極化子不攜帶自旋。由于外界條件的變化，如溫度、壓力或者外加電場等，有機半導體中的極化子和雙極化子可以互相轉換。兩個自旋極化子可以湮滅成一個不帶自旋的雙極化子，一個雙極化子也可以解離成兩個單極化

8、子。本論文并不研究極化子和雙極化子的形成機制，只是假設從鐵磁層注入到有機半導體層的自旋極化電子完全轉換為帶自旋的單極化子和不帶自旋的雙極化子兩種載流子，它們在有機半導體中以一定的比率丫存在，以此研究兩種載流子對有機半導體中的電流自旋極化的影響。我們首先研究了“鐵磁體／有機半導體”結構的基本性質，主要內容包括： (1)多種載流子并存是影響有機半導體內電流自旋極化率的重要因素之一。有機半導體中載流子為帶自旋的單極化子和不帶自旋的雙極

9、化子兩種。極化子比率Y=0時電流自旋極化率為零，此時有機半導體中載流子全部是不帶自旋的雙極化子。電流極化率最大值出現在Y=l處，此時載流子全部為帶自旋的單極化子，與自旋注入無機半導體的情況類似。另外我們發現只要有極化子出現就可以有明顯的電流自旋極化率，即使極化子只占總載流子很少一部分。例如，極化子只占20％時的電流自旋極化率值為載流子全為極化子時極化率值的90％。因此，極化子是自旋極化電流的有效自旋載子。 (2)通過計算發現，當

10、有機層電導率σ趨向鐵磁層電導率σFM時，同自旋注入無機半導體情況一樣，鐵磁/有機半導體界面處電流自旋極化率α<,0>顯著增大。當σ/σ<,FM>l時，電自旋極化率隨電導率比率的增大而緩慢增加。因此電導率匹配或者比較大的有機半導體電導率有利于自旋注入。 (3)當存在自旋相關界面電阻時，σ<,0>不僅取決于σ和σ<,FM>的比率，而且決定于它們的具體取值情況。電流自旋極化率隨自旋無關界面電阻的增大而迅速減小，只有當自旋無關界面電阻很

11、小時才可以獲得明顯的電流自旋極化率。當界面電阻自旋相關時，注入有機半導體電流的自旋極化率能在很大程度上獲得提高。由于有機半導體具有自調節功能，因此相比于鐵磁／無機半導體系統，鐵磁／有機系統可以有一個比較小的界面電阻。界面電阻可以通過隧穿勢壘獲得。勢壘隧穿系數不僅決定于勢壘形狀，而且與隧穿粒子波函數有關，因此界面電阻可以是自旋相關的。由有機半導體的特殊性質，人們可以比較容易調節界面勢壘。因此，自旋注入有機半導體是值得期待的。 2．

12、“鐵磁／有機半導體／鐵磁”三明治結構中的自旋注入和輸運 自旋注入和輸運實驗中的有機半導體位于兩鐵磁層之間，為此我們研究“鐵磁/有機半導體/鐵磁”三明治結構中的電流自旋極化注入和輸運。同樣假設有機半導體中自旋極化子和不帶自旋的雙極化子同時以一定的比率γ存在。 (1)當兩鐵磁層磁化方向平行排列時，電流自旋極化率α(x)在沒有界面電阻情況下在有機半導體中幾乎為常數，相比于界面處只有一個小的偏差。因此，界面處的電流自旋極化率可以

13、給出整個“鐵磁／有機半導體／鐵磁”系統的信息。與不存在界面電阻下情況相比較，界面電阻可以在很大程度上提高電流自旋極化率。當兩鐵磁層磁化方向反平行排列時，不存在界面電阻的情況下，有機半導體內的電流自旋極化率為零；存在自旋相關界面電阻時，電流自旋極化率在有機半導體層內迅速減小，在中間位置處為零，在另一半區域內電流自旋極化率改變符號。通過計算還可以發現，鐵磁層磁化方向反平行排列時的電流自旋極化率隨自旋相關界面電阻的變化情況不如平行排列時敏感，

14、因此自旋注入一般采用鐵磁層磁化方向平行排列；如果想獲得明顯的磁電阻效應，則“鐵磁/有機半導體／鐵磁”系統中的鐵磁層磁化方向需反平行排列。 (2)與“鐵磁體／有機半導體”結構相似，只要極化子存在，電流自旋極化率就有一明顯值。不攜帶自旋的雙極化子對有機半導體中的自旋注入和輸運不起主導作用，即使他們在有機共軛聚合物中確實存在。自旋極化子為自旋極化電流的有效載流子，即使極化子只占總載流子很少一部分。毫無疑問，有機半導體中的極化子所占比例

15、越大，則有機半導體中的電流自旋極化率越大。選擇極化子容易產生的材料和條件對于實現有機體半導體內的自旋極化輸運至關重要。 (3)電流自旋極化率與有機半導體層的長度密切相關，有機半導體層中的電流自旋極化率隨有機半導體層長度的增加而減小，當有機半導體層長度遠大于載流子在有機半導體層中的自旋擴散長度時，自旋極化率趨向于零。當考慮到自旋相關界面電阻時，有機半導體界面處的電流自旋極化率相對于沒有自旋相關界面電阻時可以提高幾個數量級。

16、 3．“鐵磁／有機半導體／鐵磁”三明治結構磁電阻 (1)磁電阻在數值上隨著有機半導體層中極化子比率的增加而減小。有機半導體層中只要有自旋極化子的產生，則系統的磁電阻就會發生很大的變化。當極化子比率γ>0.2時，不存在自旋相關界面電阻時的系統磁電阻幾乎為常數，隨極化子比率的改變變化很小。有機半導體中不帶自旋的雙極化子的存在只對系統的磁電阻產生很小的影響。同時，自旋相關界面電阻可以大大提高系統的磁電阻。 (2)有機半導體長度