鐵磁-有機(jī)半導(dǎo)體-鐵磁結(jié)構(gòu)中自旋注入輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、自旋電子學(xué)自1994年被確認(rèn)為凝聚態(tài)領(lǐng)域的一個(gè)新型交叉學(xué)科而備受科學(xué)界和電子工業(yè)界的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。自旋電子學(xué)的出現(xiàn)被稱為是1999年物理學(xué)界十大重大事件之一，它的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、信息科學(xué)及新材料等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的研發(fā)熱點(diǎn)，并將成為本世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)未來的電子工業(yè)發(fā)展將起到舉足輕重的作用。作為信息產(chǎn)業(yè)基本元素的半導(dǎo)體器件，是以電子(或空穴)的電荷特征來傳遞信息。具體地說，通常電子在輸運(yùn)過程中由于碰撞而導(dǎo)致自旋磁

2、矩在空間的取向混亂，因此在宏觀輸運(yùn)性質(zhì)中僅需要考慮電子具有電荷就足夠了。自旋電子學(xué)不僅利用了電子的電荷特性，而且還考慮了電子的自旋特性，它將通過操縱電子自旋來進(jìn)行信息處理。隨著未來加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子器件的尺寸越做越小，當(dāng)尺度在納米范圍內(nèi)，自旋在很多方面要比電荷更優(yōu)越，如數(shù)據(jù)處理快、能耗低集成度高、穩(wěn)定性好等。因此，自旋電子將會(huì)逐步取代微電子而成為工業(yè)的主流。具體講來，自旋電子學(xué)就是一門以研究電子的自旋極化輸運(yùn)特性以及基

3、于這些特性而設(shè)計(jì)、開發(fā)新的電子器件為主要內(nèi)容的一門交叉學(xué)科，其研究對(duì)象包括電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。
　　自旋電子學(xué)的研究大多數(shù)使用的是無機(jī)半導(dǎo)體。然而相比于無機(jī)半導(dǎo)體，有機(jī)半導(dǎo)體又有它的特色，柔性的原子結(jié)構(gòu)使它容易與任何材料形成良好的界面，從而降低注入勢(shì)壘。弱的自旋軌道耦合和超精細(xì)相互作用，使自旋具有更長的弛豫時(shí)間。由于有機(jī)半導(dǎo)體具有強(qiáng)的電子晶格相互作用，因此注入的電子將導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變

4、，最后形成電荷自陷態(tài)，使得有機(jī)半導(dǎo)體中的載流子是極化子、雙極化子和孤子等準(zhǔn)粒子，它們具有獨(dú)特的電荷-自旋關(guān)系，從而使有機(jī)半導(dǎo)體具有更復(fù)雜的自旋注入和輸運(yùn)性質(zhì)。探討有機(jī)半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)及生命系統(tǒng)中的功能和應(yīng)用具有重要意義。由此將自旋電子學(xué)和有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)合，得到了一些具有新的功能的電子器件，形成了一個(gè)新的學(xué)科分支—有機(jī)自旋電子學(xué)。
　　有機(jī)自旋電子學(xué)將有機(jī)半導(dǎo)體材料作為研究對(duì)象，通過外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)等條件研究有機(jī)半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子的自

5、旋特性，是自旋電子學(xué)與有機(jī)半導(dǎo)體相結(jié)合的交叉學(xué)科。有機(jī)半導(dǎo)體具有豐富的光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，并且已經(jīng)在OLED(Organic Light Emitting Diodes)、顯示器等方面得到了廣泛的應(yīng)用，如高分子-金屬配合物、分子內(nèi)含氮氧穩(wěn)定自由基結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物、平面大∏鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)物以及電子轉(zhuǎn)移復(fù)合物等，這些本身具有磁性的有機(jī)半導(dǎo)體為研究其內(nèi)部的自旋特性提供了有利條件。有機(jī)自旋電子學(xué)作為一個(gè)頗具潛力新興領(lǐng)域正吸引著越來越來多的人對(duì)其

6、機(jī)理和性質(zhì)進(jìn)行研究，其重要的應(yīng)用研究方向有:有機(jī)自旋閥器件、自旋有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)和有機(jī)磁阻器件 OMAR(Organic magnetoresistance)。探討有機(jī)材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)研究價(jià)值和潛在的應(yīng)用背景，這也是當(dāng)前國際上許多課題組密切關(guān)注的一個(gè)研究對(duì)象。
　　有機(jī)自旋電子學(xué)作為自旋電子學(xué)新的分支領(lǐng)域已經(jīng)引起了人們足夠的重視。2002年Dediu研究組首次報(bào)道了室溫下有機(jī)半導(dǎo)體的自旋注入和輸

7、運(yùn)，并且在La0.7Sr0.3MnO3/T6/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO/T6/LSMO)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了負(fù)磁阻，表明有機(jī)層內(nèi)存在自旋極化注入，兩電極之間的輸運(yùn)電流是自旋極化的。2004年，Xiong等人合成了LSMO/Alq3/Co有機(jī)自旋閥，在低溫11K下得到了40％的負(fù)磁阻，同時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度效應(yīng)特別明顯，在室溫下幾乎觀測(cè)不到磁阻。2006年，Majumdar等人采用LSMO作為自旋極化電極，研究了LSMO/polymer/Co結(jié)

8、構(gòu)中的自旋極化注入現(xiàn)象，重點(diǎn)討論了界面效應(yīng)的影響等。
　　對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體中自旋注入和輸運(yùn)理論研究包括以Xie等人為代表的量子理論和以Smith和Z。G。Yu等人為代表的經(jīng)典理論兩個(gè)方面。前者能夠描述自旋極化輸運(yùn)的微觀機(jī)理，而后者可以得到一些與實(shí)驗(yàn)比較的物理量。近幾年，人們已經(jīng)對(duì)有機(jī)材料中的自旋極化注入和輸運(yùn)做了大量的理論工作。但是一些具體的問題人們還不是很清楚，例如，電場(chǎng)對(duì)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體兩層結(jié)構(gòu)自旋注入的影響，磁場(chǎng)對(duì)兩層結(jié)構(gòu)自旋注

9、入和自旋極化的影響，電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)三層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體/鐵磁自旋注入輸運(yùn)以及磁阻的影響，極化子比率對(duì)其自旋注入輸運(yùn)以及自旋極化的影響，自旋相關(guān)的界面電阻對(duì)其自旋注入以及自旋極化的影響等等。本文基于經(jīng)典的漂移-擴(kuò)散理論上對(duì)上述問題展開相應(yīng)的研究，研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.電場(chǎng)對(duì)兩層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體自旋極化注入輸運(yùn)的影響。
　　自從2002年 Dediu課題組研究了在鐵磁有機(jī)材料中的自旋注入問題，測(cè)量了其在室溫下的自旋

10、擴(kuò)散長度是200nm。其自旋擴(kuò)散長度不僅與載流子有關(guān)系，而且還與外加的溫度、壓力、電場(chǎng)有關(guān)系。這里我們只討論電場(chǎng)對(duì)其自旋擴(kuò)散長度的影響。在電場(chǎng)的作用下，其擴(kuò)散長度將發(fā)生變化。我們通過理論計(jì)算與推導(dǎo)，重新定義了擴(kuò)散長度，并且根據(jù)新的擴(kuò)散長度的定義我們又得出了自旋擴(kuò)散電流的表達(dá)式。這對(duì)我們進(jìn)一步研究電流自旋注入有機(jī)半導(dǎo)體具有非常重要的意義。基于自旋擴(kuò)散漂移方程和歐姆定律，理論研究了電場(chǎng)對(duì)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體界面的電流自旋極化性質(zhì)的影響?？紤]到有

11、機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)特殊的載流子以及電場(chǎng)對(duì)其自旋擴(kuò)散長度的影響，計(jì)算了界面處的電流自旋極化率。結(jié)果表明，高電場(chǎng)可以使界面處的電流自旋極化率得到有效提高。同時(shí)還進(jìn)一步研究了電場(chǎng)下有機(jī)半導(dǎo)體中極化子比率、自旋相關(guān)界面電阻等因素對(duì)電流自旋極化的影響。
　　2.磁場(chǎng)、電場(chǎng)對(duì)兩層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體自旋極化注入輸運(yùn)的影響。
　　我們理論研究了外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)自旋擴(kuò)散長度并進(jìn)一步對(duì)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自旋極化注入和輸運(yùn)的影響?；谧孕龜U(kuò)散漂移方程

12、和歐姆定律，考慮到有機(jī)半導(dǎo)體中特殊的載流子，我們得到了電流自旋極化率。結(jié)果表明，通過改變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大小可以使電流自旋極化率得到一定程度的提高。同時(shí)從自旋相關(guān)界面電阻和有機(jī)半導(dǎo)體中特殊載流子(極化子和雙極化子)等因素的影響可以得到顯著的電流自旋極化率。
　　3.磁場(chǎng)、電場(chǎng)對(duì)三層結(jié)構(gòu)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體/鐵磁自旋極化電流和磁阻的影響。
　　在前面我們已經(jīng)詳細(xì)的描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體兩層結(jié)構(gòu)的自旋極化輸運(yùn)性質(zhì)的影響，由于