有機磁性器件自旋相關輸運性質研究.pdf

1、有機材料在很長一段時間內都被認為是絕緣體,直到上個世紀有機電子學逐漸興起,發現摻雜的有機材料具有較好的導電能力,這種傳統的認識才被打破。有機半導體和分子電子學是有機電子學中兩個比較熱門的領域,其中有機半導體材料包括高分子聚合物和小分子,它們具有豐富的電學、磁學、光學特性,已經在有機發光二極管(OLED),有機場效應管(OFET),有機光伏電池(OPVC)等方面得到了廣泛應用。分子電子學的發展使人們可以在分子層次.卜使用有機材料構建功能性

2、更好的電子器件。目前,分子電子學的實驗和理論研究已經廣泛展開,發現有機分子器件可以實現多種與傳統電子學類似的功能,如分子開關、分子整流器、分子存儲器等邏輯功能器件。
　　 我們知道,電了具有兩個重要的內稟屬性,即電荷和自旋。傳統的微電子技術只利用電荷流進行信息處理,而自旋這一自由度沒有在實際應用的電_了學技術中發揮應有的作用。實際上,人們早在20世紀20年代就發現了電子的自旋特性,但直到20世紀80年代發現巨磁電阻效應并用自旋相

3、關散射和二流體模型解釋之后,人們才開始認識電子自旋的應用價值,于是對電子自旋的研究成為一個熱點課題。自旋電子學中電子的自旋或者是獨立地或者是跟電子的電荷相特性結合地作為信息儲存和傳輸的載體。電子的自旋態具有較長的弛豫時間,不容易被雜質或缺陷的散射破壞,而且自旋較容易通過調節外部的磁場來進行控制。人們正期待著利用電子自旋特性來設計運行速度更高、能量消耗更低、功能多、高集成的下一代微電子器件,這種器件的尺寸將進一步大大減小,進入納米尺度范圍

4、,成為介觀物理相關研究的重要組成部分。
　　 特別地,近幾年來將有機電子學和自旋電子學相結合,得到了一些令人振奮的新現象和新效應,形成了一個新的學科分支一有機自旋電子學。有機自旋電子學是研究有機功能材料及其相關器件中的自旋產生、消滅、轉移與存儲等物理現象和物理機制的學科,它包含化學有機材料和物理兩個領域。將二者結合,探討有機材料在自旋電子學領域的應用具有重要的基礎研究價值和潛在的應用背景,這也是當前國際上許多課題組密切關注的一個

5、研究方向。由于有機材料具有較弱的自旋.軌道耦合和超精細相互作用,載流子的自旋弛豫時間比較長,因而是實現自旋極化輸運的理想候選材料。不同于傳統半導體中的載流子,有機材料中載流子是孤子、極化子、雙極化子等準粒子,它們具有更復雜的電荷自旋關系,使有機自旋電子學器件具有更豐富的特性。
　　 目前,實驗上和理論上研究的有機自旋電子學器件主要有三類。第一類是磁性電極/非磁性有機材料異質結型器件。實驗上多采用半金屬的CMR材料LSMO和鐵磁性

6、的Co作為電極,中間層通常采用共軛低聚物六噻吩(T6)和小分子Alq3等。對這類器件的關注點是如何實現有效的自旋極化注入和輸運問題。第二類器件是由普通的金屬電極和非磁性有機材料構成。實驗上在很弱的磁場下(10mT)測得了有機磁電阻(OMAR)現象,對這種現象的解釋是目前有機自旋電子學領域一個新的難題。第_一類器件使用有機磁性分子作為載體來實現自旋相關功能性。有機磁性分子集有機材料和磁性材料的優點于一身,近幾年來已經引起人們的廣泛關注。這

7、種材料可以實現電導和磁性的共存,并且具有輕質、低消耗的優點,是有機自旋相關器件的優質候選材料。目前,對有機磁性分子器件的研究工作已經初步展開,實驗上已經制備出一些有機磁體,典型的如poly-BIPO等,它通過使用磁性側基取代氫原子的方式實現鐵磁性。緊接著,一些理論工作者對有機鐵磁體的磁性起源進行了研究,得到了這種材料的自旋密度波性質,同時也研究了電子-電子關聯和邊界效應的影響。用這種材料組裝器件,并對其輸運性質進行研究的工作也逐漸開展,

8、得到自旋過濾和自旋整流等有趣的物理現象。
　　 綜上所述,有機自旋電子學領域剛剛起步,對很多具體的問題還缺乏深入的研究。本論文以有機鐵磁器件為研究對象,結合了描述有機材料的一維緊束縛SSH(Su-Schrieffer-Heeger)模型以及計算介觀輸運問題的Landauer-Büttiker公式,采用格林函數和傳遞矩陣方法計算透射率,研究了體系的自旋相關輸運性質。論文首先系統地研究了自旋激發對有機磁性分子的基本性質及其器件的自旋

9、極化輸運性質的影響,并對不同激發態的情況進行了詳細的討論。同時,在原來二通道模型的基礎上發展了四通道模型,研究了自旋翻轉對有機鐵磁器件自旋相關輸運性質的影響。本論文的研究內容和結果如下:
　　 1.自旋激發態對有機鐵磁器件電子輸運性質的影響
　　 目前,對有機鐵磁材料的研究主要局限在基態體系,實際上,很多外界因素的影響如光、磁場、溫度等都有可能使磁性分子偏離基態。已經有一些相關實驗報道了單分子磁體在自旋激發態下的輸運特性

10、,并且發現了很多有趣的物理現象,如負微分電導和完全的電流壓制等,這些有可能與自旋激發的影響有關。本文的第三章以有機鐵磁分子poly-BIPO為對象,系統地研究了自旋激發態對有機鐵磁器件自旋相關輸運性質的影響。
　　 1.1有機鐵磁分子中存在自旋激發時,基態情況下正負交替的自旋密度將被破壞,自旋激發附近將出現局域的自旋密度波缺陷。對體系自旋激發能的研究發現,耦合激發所消耗的能量最低,當體系的自旋激發達到一定數量時,自旋激發能不再發

11、生變化,被激發的區域形成一個穩定的疇,激發能存在于疇壁中。
　　 1.2在固定偏壓下,隨著自旋激發數目的增加,體系的總電流將迅速降低,自旋極化電流在低自旋激發時的變化不大,但在高自旋激發態時將迅速降低為0.
　　 1.3由于器件中分子尺寸較短,有可能出現邊界效應,因此考慮了相同數H的自旋激發處于不同位置時對器件輸運性質的影響,發現自旋激發位置變化小會影響電流的自旋極化。
　　 1.4溫度效應會使有機磁性分子產生集

12、體的激發,取不同溫度下,側基自旋取向的方形隨機分布,發現低溫引起的自旋激發對器件的自旋極化輸運性質影響不大,當溫度達到一定值時,自旋極化迅速降低。
　　 2.自旋翻轉散射對有機鐵磁器件電子輸運性質的影響
　　 隨著有機自旋電子學的發展,有機磁性材料越來越受到人們的關注,因為它結合了有機材料的和磁性材料的優點。已經有相關研究表明,用有機鐵磁材料構建分子器件可以實現自旋過濾和自旋整流的功能。然而,以往的大多數理論研究認為有機

13、材料中的自旋弛豫時間較長,電子在輸運過程中不發生自旋翻轉,因此在計算輸運問題時通常都采用二通道模型。在實際過程中,許多外界條件和內部因素都有可能使電子白旋在輸運過程中發生翻轉。論文的第四章設計了金屬/有機鐵磁體/金屬三明治結構,考慮輸運過程中的自旋翻轉,用傳遞矩陣的方法對器件的自旋相關輸運性質進行研究。
　　 2.1對有機鐵磁材料的基本性質進行研究發現,存在自旋翻轉散射時,有機鐵磁分子不同的自旋軌道發生混合,電子不再處于自旋本征

14、態上,而是處于一種自旋混合態；能帶寬度和帶隙會隨著自旋翻轉參數的增加發生一定的變化,半導體有機磁性分子將向有利于導電的趨勢變化；當自旋翻轉參數達到一定值時,中間有機分子的二聚化消失,晶格均勻排列。
　　 2.2考慮π電子的自旋翻轉效應時,器件的開啟偏壓變小,更有利于導通,并且通過器件的電流自旋極化率減少,不能實現將近100％的自旋過濾,但在很大的偏壓范圍內可以保持較高的值,器件仍然具有自旋過濾的功能。
　　 2.3海森堡