紅熒烯單晶材料與器件的制備及特性研究.pdf

1、紅熒烯作為一種小分子有機(jī)半導(dǎo)體材料，由于其在發(fā)光效率、激子擴(kuò)散長度、載流子遷移率等方面較之其他的有機(jī)材料有較大的優(yōu)勢，在近年來被廣泛的應(yīng)用于有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)場效應(yīng)晶體管及有機(jī)太陽能電池等領(lǐng)域的研究與開發(fā)當(dāng)中。而利用紅熒烯單晶制備的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，在實(shí)驗(yàn)中測得其器件遷移率可達(dá)24.5cm2/Vs，這一數(shù)值在目前有機(jī)材料遷移率的研究中有著最佳的表現(xiàn)。
　　近年來，基于有機(jī)半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)研究取得了很快的進(jìn)展。然而，在室溫下具有

2、明顯磁阻的自旋閥及自旋注入場效應(yīng)晶體管卻難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在對(duì)所觀察到的磁電阻的機(jī)理解釋方面也產(chǎn)生了自旋注入與局部隧穿的爭議。有機(jī)材料的自旋軌道耦合及超精細(xì)相互作用非常弱，理論上應(yīng)有很長的自旋擴(kuò)散長度。但在實(shí)驗(yàn)中，紅熒烯及其他有機(jī)材料的自旋擴(kuò)散長度僅為數(shù)十納米。其原因可能為有機(jī)材料遷移率很低，且在非晶或微晶的薄膜中存在大量的晶粒間界、缺陷以及雜質(zhì)等影響因素。以上幾種因素會(huì)明顯的降低材料的自旋擴(kuò)散長度，導(dǎo)致在常溫及有機(jī)層厚度增大時(shí)幾乎觀測不

3、到磁電阻現(xiàn)象。而高質(zhì)量的單晶材料能夠最大限度的降低缺陷、雜質(zhì)及晶界等不利因素的影響，降低電子陷阱的密度。同時(shí)因紅熒烯單晶具有很高的載流子遷移率。因此，通過制備高質(zhì)量紅熒烯單晶材料及其自旋器件，并研究其自旋輸運(yùn)特性，有可能提高其載流子自旋擴(kuò)散長度，實(shí)現(xiàn)更長距離的自旋輸運(yùn)。
　　本論文的研究內(nèi)容和研究目的就是制備高質(zhì)量的適合有機(jī)自旋電子器件的紅熒烯單晶材料，研究其結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，在此基礎(chǔ)之上，研制基于單晶紅熒烯材料的具有自旋極化電極且

4、溝道寬度在微納尺度的有機(jī)自旋電子器件，研究其電學(xué)性質(zhì)及自旋輸運(yùn)性質(zhì)，探索在紅熒烯單晶中實(shí)現(xiàn)微米級(jí)超長距離自旋輸運(yùn)的方法，并為理清有機(jī)材料的本征自旋輸運(yùn)機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　首先，我們利用物理氣相輸運(yùn)的方法制備了紅熒烯單晶。利用XRD分析了所制備的紅熒烯單晶的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶質(zhì)量。利用AFM對(duì)晶體的表面形貌進(jìn)行了表征和分析，結(jié)果顯示紅熒烯單晶表面具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，說明其生長模式為層狀生長。我們還研究

5、了制備的紅熒烯單晶的光學(xué)性質(zhì)，測試了其PL譜，發(fā)現(xiàn)紅熒烯單晶具有較強(qiáng)的光學(xué)各向異性。隨后，通過對(duì)不同溫度下的譜線進(jìn)行研究，分析了溫度對(duì)紅熒烯單晶光學(xué)自吸收現(xiàn)象的影響。得到其在極低溫時(shí)的發(fā)光區(qū)主要位于黃綠光區(qū)域，而在常溫時(shí)，由于明顯的自吸收作用，發(fā)光區(qū)主要位于橙光區(qū)域。
　　其次，利用紫外掩膜對(duì)準(zhǔn)曝光技術(shù)及電子束蒸發(fā)技術(shù)制備了中間溝道為2-3微米的具有兩側(cè)非對(duì)稱鐵磁電極的器件。電極材料選取常規(guī)鐵磁金屬鐵、鈷和鎳。利用AES方法研究了

6、該三種金屬在晶體生長條件下的表面氧化情況，發(fā)現(xiàn)三種電極具有不同的氧化厚度，為了解決該問題，采取了在制備器件電極時(shí)覆蓋一層5nm的銅作為保護(hù)層的方法，防止下方電極氧化。利用AGM對(duì)非對(duì)稱電極的磁滯回線進(jìn)行測量，觀測到兩種不同電極材料之間的矯頑力能夠有較為明顯的區(qū)別，說明器件電極的磁化方向可以分別反轉(zhuǎn)。
　　最后，利用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對(duì)器件在不同溫度和外界磁場中的特性進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)器件表現(xiàn)出典型的二極管特性，且器件的電流-電壓特性隨