稀土Sm摻雜八羥基喹啉類有機(jī)小分子薄膜的特性研究.pdf

1、隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域向輕、薄、大面積、柔性可折疊、節(jié)能環(huán)保、生物兼容、可穿戴等方向發(fā)展，有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件研究受到世界各主要國(guó)家的重視，成為半導(dǎo)體及電子領(lǐng)域的熱門前沿方向之一。有機(jī)半導(dǎo)體因其主要由輕元素組成，自旋軌道耦合相互作用及超精細(xì)相互作用弱，因此具有極長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間，是一類極有前景的自旋電子材料，有望先于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)速度更快、超低功耗、數(shù)據(jù)非揮發(fā)的多功能新型自旋器件。新世紀(jì)以來(lái)，基于有機(jī)半導(dǎo)體的自旋電子器件如有機(jī)自旋閥、有機(jī)自旋

2、發(fā)光二極管、有機(jī)磁性隧道結(jié)等先后研制成功，顯示了有機(jī)半導(dǎo)體材料在自旋電子領(lǐng)域的光明前景。然而，由于自旋極化電極與有機(jī)層的匹配等問(wèn)題的存在，目前有機(jī)自旋器件只在低溫下具有較好的性能，在室溫下的性能不高。開發(fā)具有鐵磁性的有機(jī)半導(dǎo)體材料，作為自旋注入電極層或緩沖層材料，有望解決電導(dǎo)率不匹配造成的自旋注入效率問(wèn)題，進(jìn)而提高自旋電子器件及自旋光電子器件的室溫性能。
　　在本論文中，我們選取具有優(yōu)異光電性質(zhì)的八羥基喹啉類有機(jī)小分子材料和稀土釤

3、金屬元素，利用真空熱蒸發(fā)方法制備了兩種稀土摻雜八羥基喹啉有機(jī)小分子材料;測(cè)試表征了其形貌結(jié)構(gòu)，并分析了稀土元素與有機(jī)分子的結(jié)合情況及電荷轉(zhuǎn)移情況;測(cè)試了樣品的磁性，分析了其磁性機(jī)理，獲得了具有室溫鐵磁性的有機(jī)小分子材料，為研制基于該磁性材料的有機(jī)自旋電子器件及光電子器件提供了材料基礎(chǔ);測(cè)試了樣品的光學(xué)性質(zhì)，研究了稀土摻雜對(duì)樣品光學(xué)性質(zhì)的影響，獲得了同時(shí)具有鐵磁性、半導(dǎo)體導(dǎo)電性和優(yōu)異光電性質(zhì)的多功能有機(jī)材料，為研發(fā)集電子學(xué)、光學(xué)及磁學(xué)于一

4、體的多功能及多場(chǎng)調(diào)控新型自旋器件提供了材料基礎(chǔ)。
　　主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　一、稀土Sm摻雜八羥基喹啉鎵(Gaq3)的制備、結(jié)構(gòu)、磁性及光電性質(zhì)研究。使用真空共蒸發(fā)方法首次制備了一系列不同摻雜濃度的稀土Sm摻雜Gaq3薄膜，并在樣品中觀察到了室溫鐵磁性，最大矯頑力為103.32 Oe，飽和磁化強(qiáng)度為4.1×10-6 emu。通過(guò)分析磁性隨Sm摻雜濃度的變化發(fā)現(xiàn)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力隨著摻雜濃度的增大而增大，在名

5、義摻雜濃度為15 wt.％時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增大Sm濃度則樣品磁性降低。我們對(duì)摻雜薄膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，觀察了摻雜薄膜的表面形貌，排除了金屬Sm團(tuán)簇的因素;分析FTIR圖譜得出了摻雜之后分子結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯的變化，說(shuō)明摻雜金屬Sm并未改變Gaq3的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)分析XPS圖譜得出金屬Sm原子作為施主原子有電子轉(zhuǎn)移至Gaq3分子，影響了Gaq3分子中N-Ga鍵，形成了兩個(gè)新的峰位。然后，我們研究了摻雜薄膜的光電性質(zhì)，通過(guò)對(duì)吸收光譜的測(cè)試，得

6、到了在摻雜濃度為15 wt.％時(shí)摻雜薄膜的禁帶寬度出現(xiàn)了明顯的變寬，可以理解為金屬Sm原子向吡啶環(huán)上轉(zhuǎn)移了電子，導(dǎo)致HOMO和LUMO之間能帶變寬，我們還研究了摻雜薄膜的光致發(fā)光性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在低摻雜濃度時(shí)有輕微的藍(lán)移現(xiàn)象，在重?fù)诫s時(shí)出現(xiàn)了明顯的紅色熒光峰位，說(shuō)明摻雜的金屬Sm影響了系統(tǒng)間的穿越常數(shù)(Kisc)。我們還研究了退火對(duì)Sm摻雜Gaq3薄膜的影響。
　　二、金屬Sm摻雜八羥基喹啉錳(Mnq2)的制備、結(jié)構(gòu)及磁性研究。選用室溫

7、順磁性稀土金屬釤(Sm)，和順磁性的Mnq2有機(jī)小分子，利用真空共蒸發(fā)方法首次制備了稀土Sm摻雜的Mnq2薄膜材料。原子力顯微鏡AFM研究顯示當(dāng)稀土金屬Sm的質(zhì)量比為7 wt.％時(shí)，摻雜薄膜均方根粗糙度為1.9 nm，與純凈的Mnq2薄膜起伏相近，顯示Sm摻雜對(duì)Mnq2表面影響不大。交變梯度磁強(qiáng)計(jì)(AGM)室溫磁性測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)稀土摻雜后樣品呈現(xiàn)室溫鐵磁性，其磁性在Mn:Sm原子比為5.8∶1時(shí)最強(qiáng)，矯頑力約為103.6Oe，飽和磁化強(qiáng)