基于躍遷理論的有機器件磁場效應研究.pdf

1、電子具有這樣的兩種屬性，即電荷與自旋。曾經(jīng)的多數(shù)研究中，科研工作者主要關注了電子的電荷方面的屬性然而忽略它的自旋方面的屬性。但是之后，因為自旋電子學領域經(jīng)歷了不斷地發(fā)展壯大，科研工作者著手圍繞著電子自旋方面的屬性展開探討和應用，其中最主要的研究為自旋極化，自旋注入以及自旋輸運等等。
　　鐵磁電極(FM)/中間夾層(interlayer)/鐵磁電極(FM)這樣的基本結(jié)構(gòu)，被用來研究自旋如何極化以及注入、輸運。中間夾層是沒有磁性的，像

2、超導體、金屬、傳統(tǒng)的半導體甚至有機材料都可以作為夾層。首先對超導體夾層，由于庫伯對的存在（它是不帶自旋的），而不能輸運自旋。金屬中的載流子雖然是攜帶1/2自旋的擴展的電子，可是金屬器件卻不能放大這些信號。半導體中的電子或者空穴（攜帶1/2自旋）可以輸運自旋，其能帶有帶隙，使其能夠放大信號。有機聚合物應該是另外一個選擇，因為它有著半導體的特點。聚合物還有著它自己的特性，“軟”的原子構(gòu)型使它能容易地的形成良好接觸的界面或者一個合適的注入勢壘

3、。
　　有機半導體包含小分子和聚合物構(gòu)成的半導體。這些材料可以擁有較高的遷移率，表現(xiàn)出明顯的功能特性。電子-晶格耦合在共軛聚合物中很強（區(qū)別于傳統(tǒng)的半導體），其中的載流子不再完全擴展，而是與晶格耦合在一起的自陷束縛態(tài)。共軛聚合物中的載流子如孤子，極化子或者雙極化子有著“準粒子”的特征，表現(xiàn)出完全的局域性，穩(wěn)定性和完整性。在一些小分子晶體中，由于分子在平衡位置附近的漲落，一個額外的電子或空穴將形成一個自束縛的態(tài)，這和聚合物中的帶電的

4、激發(fā)態(tài)是相似的。有機半導體中這些激發(fā)態(tài)有著特定的電荷自旋關系。一個孤子有著一個相反的電荷自旋關系，即帶電的孤子S±是不帶自旋的，而一個電中性的孤子S0有著一個自旋±h/2，這與傳統(tǒng)的電子和空穴載流子是不同的。一個帶電的極化子攜帶著自旋±h/2，而一個雙極化子擁有兩個電子或空穴，所以它并不帶自旋。因此，只有帶電的極化子或者電中性的孤子才能作為自旋的載流子。
　　有機小分子和聚合物具有許多電學、光學和磁學特性。此外，自旋軌道耦合在有機

5、半導體中很弱（原子序數(shù)低），從而電子的自旋擴散長度特別長。本身的這些特點使得有機半導體成為了自旋極化注入和輸運的理想的器件。在過去的幾十年時間里，人們使用相關的有機材料制成了各式各樣的功能器件，常見的和應用較多的為能源器件有機太陽能電池、有機發(fā)光二極管（可作顯示器件用），還有有機場效應晶體管等。
　　隨著自旋輸運方面的研究越來越深入和擴展，有機自旋電子學中另一個誘人的現(xiàn)象即有機磁場效應被發(fā)現(xiàn)了。有機磁場效應意味著在室溫下，即使在沒

6、有磁性電極的情況下，非磁性有機半導體的電的或光的特性也會對很小的磁場（在mT的尺度上）產(chǎn)生很大的反應。作為有機磁場效應的一方面，有機磁電阻或有機磁電導行為表現(xiàn)出來的普遍的曲線形狀可以用經(jīng)典的洛倫茲型B2/（B2+B20）或非洛倫茲型[B/(|B|+ B0)]2的公式或者它們的組合公式來擬合。一些也可以通過冪律分布如Bn，f1/B2+f2/B4或者d1B2+d2B4來擬合。通常，在0～15％之間的有機磁電阻值在大量的有機半導體中被發(fā)現(xiàn)。在

7、一些情況下，一個約300％的磁電阻值也被觀測到了。
　　有機半導體中自旋相關的電子過程的模型經(jīng)過了不斷增多的過程。當施加了一個外磁場后，相互作用不僅有自旋-塞曼相互作用，還有電荷-洛倫茲相互作用;氫核的核自旋超精細相互作用也可以包含其中。例如，Yu等人展示了超精細相互作用的系統(tǒng)性的研究，以及它在有機自旋電子學應用中所起的作用。到目前為止，三種機理已經(jīng)被提出來解釋有機磁場效應:(1)極化子對機制。在該機制下，磁場和超精細場共同作用可

8、以控制單態(tài)與三態(tài)極化子對之間的轉(zhuǎn)換，即單三態(tài)激子間的形成比例被調(diào)節(jié)，以此調(diào)節(jié)電致發(fā)光效率（主要在雙極器件中）。(2)雙極化子機制。極化子與雙極化子之間的轉(zhuǎn)換受磁場和超精細場控制，兩者濃度比例因此變化。兩者有效質(zhì)量的不同導致其遷移率的不一樣，磁場調(diào)節(jié)兩者濃度比例，完成對器件電流的調(diào)節(jié)。(3)激子淬滅機制。此種機制里，極化子和三態(tài)激子發(fā)生作用（在其輸運的過程相遇）而被三態(tài)的激子散射，由此表現(xiàn)出遷移率下降。單、三態(tài)激子之間的比例受磁場和超精細

9、場共同作用調(diào)節(jié)，從而極化子被散射的概率也受影響（和三態(tài)激子碰撞），最終電流表現(xiàn)出隨磁場變化的現(xiàn)象。這些機制都強調(diào)了超精細相互作用在有機磁場效應中的重要性。
　　從最基本的電荷-速度（遷移率）的關系J=nev可知電流J不僅依賴于載流子濃度n，還依賴于載流子速度v。實驗研究似乎揭示了載流子和遷移率μ（μ=v/E，E為電場強度）都能被磁場所影響。例如，通過利用電致發(fā)光光譜和電荷引起的吸收光譜技術，Nguyen等人分別測量了單態(tài)激子、三態(tài)

10、激子和極化子的濃度對磁場的依賴性。他們發(fā)現(xiàn)所有的濃度隨著磁場的增大而增加。然而，Veeraraghavan等人在聚芴(PFO)中進行了磁電阻測量，顯示載流子遷移率受磁場調(diào)控，而載流子濃度沒有變化。另外，Ding等人近來通過對由NPB∶Alq3混合的發(fā)光層構(gòu)成的有機發(fā)光二極管的研究中發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光磁效應與載流子遷移率有著密切的關系。
　　盡管人們提出了不同的唯象模型來解釋有機磁場效應，但是其深層機理依然需要理解。需要指出是，大多數(shù)的理

11、論工作僅僅給出了一個模型，至多進行了定性的研究。而實際上有機磁場效應應該既包含載流子和磁場相互作用的微觀機制，又包含載流子在有機層中的輸運特性，這兩項都將有效地影響有機磁場效應。本文中我們考慮載流子受到磁場以及超精細場的影響，利用主方程研究了載流子的輸運情況，并定量地給出了有機磁場效應。通過定量的研究，我們或許可以發(fā)現(xiàn)有機磁場效應的真正相關的機理。
　　因為大多數(shù)的有機材料有著無序的結(jié)構(gòu)，輸運主要通過各個格點（分子）間的躍遷而不是

12、帶輸運。由于無序造成的格點在位能的差異通常認為是高斯形式的。為了決定有機器件的遷移率，不同格點間的躍遷模型通過主方程方法得到了研究。主方程被證明是解釋實驗觀察到的遷移率的一種有效的工具，它提供了理解在無序的有機半導體中輸運的基本的框架。當涉及自旋指標的時候，情況將變得復雜。
　　在這個工作中，躍遷率由施加的外磁場和超精細場共同決定。接下來我們利用了自旋相關的主方程，通過計算極化子的遷移率，在無序的有機半導體中我們得到一個很大的磁電

13、導。通過選擇合適的參數(shù)，理論結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)是一致的。在較強的超精細相互作用下磁電導將較慢地達到它的飽和值，這揭示了超精細相互作用在有機磁電導中的重要性。因為有機半導體中的載流子為局域的極化子，發(fā)現(xiàn)在較強局域的極化子情況下磁電導值變得更大。這也解釋了為何有機半導體中的磁電導比無機半導體中的明顯得多。此外，還發(fā)現(xiàn)磁電導值隨著有機材料的各向異性的增加而增加，這建議我們應利用有著高各向異性結(jié)構(gòu)或位形的有機材料來獲得一個大的磁電導值。
　　

14、從大量的有機器件的實驗測量中發(fā)現(xiàn)，有機磁電導呈現(xiàn)出復雜性。有機半導體中正的和負的有機磁電阻都被報道過，依賴電壓變化和具體的材料或器件特點，還展示了隨著電壓變化從負磁電阻到正磁電阻的轉(zhuǎn)變。當一個極化子局域在一個格點，它的自旋將有外磁場和內(nèi)部有效的超精細場共同決定。極化子自旋的基態(tài)由自旋向上和向下的組分組成。Julliere模型在研究磁電阻時假設了自旋在輸運過程中守恒（沒有重新取向或翻轉(zhuǎn)），又由于有機材料中自旋擴散長度比通常的無機材料中的長

15、得多。所以在這個工作中我們假設在低的載流子濃度下，極化子在躍遷的過程中保持自旋取向不變。
　　我們利用主方程計算了體系的遷移率并得到磁電阻。在合適的參數(shù)下，我們的理論模擬和實驗觀察擬合的很好。發(fā)現(xiàn)有機磁電阻依賴于材料的特性以及操作條件。我們的模擬結(jié)果顯示有機磁電阻隨著電場的變化從負到正。此外，當能量無序參數(shù)降低的時候，磁電阻也出現(xiàn)了符號的轉(zhuǎn)變。在我們的模擬中，磁電阻的溫度依賴性與它對能量無序?qū)挾鹊囊蕾囆允且恢碌?。在強的超精細相互?/p>

16、用下，磁電阻較慢地達到它的飽和值，這揭示了超精細相互作用對有機磁電阻的重要性。此外，由于有機半導體中的載流子是極化子，發(fā)現(xiàn)局域性較強的極化子會使磁電阻變大。這說明了為何明顯的磁電阻在有機的半導體中出現(xiàn)而不是在無機半導體中。
　　以上的工作研究了單極器件中的磁場效應，下面將考慮雙極器件中磁電阻的機理，在這里我們主要考慮三態(tài)激子作為陷阱對載流子輸運的阻礙作用。在磁場、超精細相互作用和交換相互作用的的影響下，我們展示了電子、空穴以及電子