有機自旋三極管的理論模型與性質(zhì)研究.pdf

1、二十世紀,以電子電荷為基礎(chǔ)的微電子學(xué)取得了巨大成就,但是電子既有電荷特性又有自旋特性。在傳統(tǒng)的微電子器件中,一直沒有考慮到電子的自旋,只把電子看成電荷的載體.自1988年,自旋電子學(xué)(Spintronics)開始作為一門新的學(xué)科進入研究領(lǐng)域.電子自旋的注入和輸運過程開始引起人們的重視,并逐步被展開研究。自旋注入的研究主要包括從鐵磁金屬到導(dǎo)體;鐵磁金屬到超導(dǎo)體;鐵磁金屬到非磁性半導(dǎo)體以及磁性半導(dǎo)體到非磁性半導(dǎo)體,或這些構(gòu)型的復(fù)合等.

2、>　　有機半導(dǎo)體內(nèi)具有較弱的自旋—軌道相互作用,更有利于自旋的注入與輸運,因此成為了自旋輸運的最佳候選材料之一.有機材料中實現(xiàn)自旋極化注入和輸運已經(jīng)成為自旋電子學(xué)的一個研究熱點.有機半導(dǎo)體與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比,具有更豐富的電、磁、光學(xué)特性,已經(jīng)在有機電致發(fā)光器件、自旋閥等方面得到了廣泛的研究與應(yīng)用,取得了一定的成果,形成了一個新的學(xué)科分支——有機自旋電子學(xué).
　　實驗方面,2002年,Dediu研究組首次報道了La0.7Sr0.3M

3、nO3/T6/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO/T6/LSMO)三明治結(jié)構(gòu)中的自旋注入和輸運.2004年,Xiong等人在LSMO/Alq3/Co有機自旋閥中開展了自旋注入和輸運的重要實驗.2006年，Majumdar等人采用LSMO作為自旋極化電極,研究了LSMO/polymer/Co三層結(jié)構(gòu)中的自旋極化注入與輸運,著重討論了界面效應(yīng)的影響等.2008年,Dediu研究組再次報道了LSMO/Alq3/Al2O3/Co結(jié)構(gòu)自旋閥中

4、的自旋極化和輸運,結(jié)構(gòu)中在Alq3和Co電極之間加了一層絕緣的隧穿勢壘層Al2O3,大大提高了自旋注入效率.2009年,Zhang等人研究了Alq3/Al2O3/Co結(jié)構(gòu)中的自旋極化注入和輸運,對自旋極化注入和輸運受緩沖層Al2O3的影響進行了討論.
　　理論方面,主要包括量子理論(以Xie等人為代表)和經(jīng)典理論(以Ruden，Smith以及Yu等人為代表)兩種方法.量子理論可以從微觀角度理解鐵磁/有機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及自旋輸運的動力

5、學(xué);從經(jīng)典的自旋擴散方程出發(fā),借助歐姆定律等,可給出鐵磁/有機系統(tǒng)的電流自旋極化率等宏觀可測量.
　　本論文在鐵磁/有機半導(dǎo)體一維結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,設(shè)計了T型結(jié)構(gòu)有機半導(dǎo)體器件,從自旋擴散漂移方程和歐姆定律出發(fā),考慮到有機半導(dǎo)體特殊載流子的電荷—自旋關(guān)系以及界面效應(yīng),對影響器件電流自旋極化率的因素進行了詳細研究,結(jié)果表明T型結(jié)構(gòu)有機半導(dǎo)體器件在一定條件下能夠?qū)﹄娏髯孕龢O化率起到放大作用,因此我們稱為有機自旋三極管.具體內(nèi)容和基本結(jié)果

6、如下:
　　1、極化子和雙極化子對電流自旋極化率和放大率的影響有機半導(dǎo)體具有較強的電子—晶格相互作用,注入的電子會使晶格發(fā)生畸變,形成電荷自陷態(tài),如極化子和雙極化子等.在外界條件的影響下,如溫度、壓力以及外場等,極化子和雙極化子之間能夠相互轉(zhuǎn)化;并且材料的性質(zhì)能夠影響極化子和雙極化子的產(chǎn)生能,所以不同的材料中產(chǎn)生極化子和雙極化子的數(shù)目和比例也不同.本文中假設(shè)有機半導(dǎo)體中極化子以一定比例存在,不考慮極化子的衰減以及與雙極化子之間的轉(zhuǎn)

7、化,計算了極化子比率從0到1的變化過程中對器件電流自旋極化率的影響,結(jié)果表明電流自旋極化率與極化子比率密切相關(guān),極化子比率越大,電流自旋極化率就顯著提高.因此選用極化子產(chǎn)生能較低的材料更利于自旋極化的注入,適合的極化子比率能夠?qū)崿F(xiàn)電流自旋極化率的有效放大.
　　2、電場對電流自旋極化率和放大率的影響自旋擴散長度標志著自旋注入強度的大小,它易受外界條件的影響,如溫度、外場以及外界壓力等.電場影響T型結(jié)構(gòu)各分支中電流密度,進而影響此器

8、件的電流自旋極化性質(zhì).我們只考慮電場對自旋擴散長度的影響,間接得到了電場對自旋極化電流的影響,并得出了關(guān)系式.通過計算發(fā)現(xiàn),較強的電場能夠提高自旋注入效率,但不利于T型結(jié)構(gòu)對自旋極化的放大.
　　3、界面電阻對界面處電流自旋極化率的影響通過計算發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)自旋相關(guān)的界面電阻來提高 T型有機自旋器件的自旋注入效率.界面電阻是能夠通過隧穿勢壘獲得的.有機半導(dǎo)體能夠在層結(jié)構(gòu)上自組織生長規(guī)則的單層膜,而且能夠用來制作規(guī)則的自旋相關(guān)的隧