肖特基接觸的鐵磁-有機系統(tǒng)的自旋極化性質(zhì)研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學(xué)極具研究潛力的領(lǐng)域之一。與傳統(tǒng)的電子學(xué)不同，自旋電子學(xué)將電子的自旋特性和電荷特性相結(jié)合，其核心內(nèi)容是研究自旋極化電子的注入、輸運、探測及自旋控制，其目的是將器件的電特性、光特性和磁特性等組合在一起，實現(xiàn)新型的自旋電子器件。自旋電子學(xué)器件包括鐵磁金屬或磁性半導(dǎo)體與絕緣體、超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等構(gòu)型的復(fù)合，也包括近幾年提出的有機功能固體或納米小分子器件。目前，一些原型器件已被設(shè)計出來，如 Datta和Das設(shè)計了

2、第一個自旋晶體管等。器件的實際應(yīng)用需要解決如何有效地將自旋極化電流注入半導(dǎo)體的問題，這要求理論與實驗研究中準確描述自旋注入、演變以及界面效應(yīng)等。
　　相對于普通固體材料，柔軟的有機半導(dǎo)體(OSCs：Organic semiconductors)可以和磁性層形成良好的接觸，能有效減少自旋在界面的散射。由于有機材料弱的自旋-軌道耦合和超精細相互作用，載流子的自旋馳豫時間比較長，因而有機材料是實現(xiàn)自旋極化輸運的理想候選材料。不同于傳統(tǒng)的

3、無機半導(dǎo)體中的載流子是電子，有機半導(dǎo)體中的載流子是極化子、雙極化子和孤子等準粒子，它們具有更復(fù)雜的電荷自旋關(guān)系，使有機自旋器件具有更豐富的特性。從小分子到高分子，人們對有機材料的電磁光等特性的認識越來越深入，無論從量子理論還是從經(jīng)典理論出發(fā)，都得到了與實驗具有可比性的理論結(jié)果。特別地，近幾年來將有機半導(dǎo)體與自旋電子學(xué)結(jié)合，人們得到了一些令人振奮的新現(xiàn)象和新效應(yīng)，行成了一個新的學(xué)科分支——有機自旋電子學(xué)。
　　有機自旋電子學(xué)是研究有

4、機功能材料及其相關(guān)器件中的自旋產(chǎn)生、消滅、轉(zhuǎn)移與存儲等物理現(xiàn)象和物理機理的學(xué)科。它包含與化學(xué)交叉的有機材料和與物理學(xué)科交叉的自旋電子學(xué)兩個領(lǐng)域。將二者結(jié)合，探討有機材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用顯然具有重要的基礎(chǔ)研究價值和潛在的應(yīng)用背景，這也是當(dāng)前國際上許多課題組密切關(guān)注的一個研究方向。
　　2002年 Dediu課題組首次報道了有機材料中的自旋注入和輸運，他們采用半金屬 CMR材料La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作極化電子給

5、體，有機層采用sexithenyl(T6)，實驗發(fā)現(xiàn)了負磁電阻，表明有機層內(nèi)存在自旋極化注入，兩電極之間的輸運電流是自旋極化的。近幾年，已經(jīng)有很多實驗驗證了有機材料中的自旋注入和輸運現(xiàn)象。如2004年，Xiong等人制備了LSMO/Alq3/Co自旋閥，測得低溫下可以實現(xiàn)40％的磁電阻效應(yīng)；2008年，Dediu研究組報道了LSMO/Alq3/Al2O3/Co結(jié)構(gòu)自旋閥中的自旋極化和輸運，他們在有機半導(dǎo)體和金屬電極之間加了一層絕緣的隧穿

6、勢壘層，使自旋注入到有機半導(dǎo)體中的效率大大提高。2009年，Zhang等人研究了8-hydroxyquinoline-aluminum(Alq3)/Al2O3/Co結(jié)構(gòu)中的自旋極化注入和輸運，研究了緩沖層 Al2O3的存在對自旋極化注入和輸運的影響
　　對有機半導(dǎo)體中自旋注入和輸運的理論研究包括以Xie等人為代表的量子理論和以Smith和Yu等人為代表經(jīng)典理論兩個方面。前者能夠描述自旋極化輸運的微觀機理，而后者可以得到一些可以與實

7、驗比較的物理量。這些現(xiàn)有的理論都沒有考慮實際實驗研究中的關(guān)鍵問題——鐵磁層和有機半導(dǎo)體接觸時形成的肖特基勢壘。近幾年，人們已經(jīng)對有機材料中的自旋極化注入和輸運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，有機半導(dǎo)體中極化子和雙極化子之間的共存和轉(zhuǎn)化對自旋極化注入和輸運的影響，鐵磁/有機半導(dǎo)體界面電阻對自旋注入和輸運的影響，肖特基接觸對鐵磁/有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自旋極化性質(zhì)的影響等等。本論文基于經(jīng)典的漂移-擴散理論對上述問題展

8、開相應(yīng)研究，研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、極化子和雙極化子對自旋極化注入性質(zhì)的影響
　　由于有機半導(dǎo)體具有強的電子-晶格相互作用，因此注入的電子將導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，最后形成一些電荷自陷態(tài)，如極化子和雙極化子等。極化子具有1/2自旋，雙極化子不攜帶自旋。有機半導(dǎo)體中的極化子和雙極化子并不是完全無關(guān)的，在外界條件，如溫度、壓力或者外場等作用下，兩個自旋極化子可以湮滅成一個不帶自旋的雙極化子，一個雙極化子也可以解離成兩個極化子。人

9、們在不考慮極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，已經(jīng)對它們在自旋輸運中的作用有了初步的了解。但是正如上面所述，極化子和雙極化子之間是存在轉(zhuǎn)化的，這種轉(zhuǎn)化對自旋極化注入和輸運的影響會是怎樣呢?本文我們假設(shè)有機半導(dǎo)體中極化子的比率是按指數(shù)形式衰減到有機半導(dǎo)體的內(nèi)部，研究了鐵磁/有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中自旋的注入和輸運。通過計算發(fā)現(xiàn)，匹配的鐵磁層和有機半導(dǎo)體層電導(dǎo)率或大的有機半導(dǎo)體電導(dǎo)率有利于自旋注入，極化子比率衰減速率對有機半導(dǎo)體電流自旋極化率具有非

10、常重要的影響。
　　2、鐵磁/有機半導(dǎo)體界面電阻對自旋極化性質(zhì)的影響
　　考慮了自旋相關(guān)界面電阻對系統(tǒng)自旋極化注入的影響。通過計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面電阻滿足一定的關(guān)系時能夠得到一個比較高的電流自旋極化率，我們可以通過調(diào)節(jié)自旋相關(guān)界面電阻來提高自旋注入的效率。界面電阻可以通過隧穿勢壘獲得。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，并且可以被用來制作規(guī)則的隧穿勢壘而且勢壘是自旋相關(guān)的。由于有機半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)，人們可以很容易地調(diào)

11、節(jié)界面勢壘，所以自旋注入到有機半導(dǎo)體中是值得期待的。本章為在有機半導(dǎo)體中產(chǎn)生一個比較高的電流自旋極化率提供一個有效的方法。
　　3、肖特基勢壘對鐵磁/有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自旋極化性質(zhì)的影響
　　Albrecht、Smith和Ruden研究了肖特基接觸對鐵磁/無機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自旋極化性質(zhì)的影響。鐵磁層和重摻雜的半導(dǎo)體之間形成肖特基勢壘的同時也形成了適當(dāng)?shù)乃泶﹦輭荆⒁呀?jīng)證實了它能夠有效的提高自旋注入的效率。肖特基勢壘的存在對鐵磁/有機

12、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自旋極化性質(zhì)的影響是怎樣的呢?我們建立了一個簡單的模型研究了肖特基接觸對鐵磁/有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自旋極化性質(zhì)的影響，討論了電流自旋極化率隨界面處肖特基勢壘高度、有機半導(dǎo)體層中特殊載流子及其遷移率、界面附近摻雜濃度的變化關(guān)系。通過計算發(fā)現(xiàn)尋找在勢壘區(qū)中載流子遷移率比較大的有機半導(dǎo)體材料對實現(xiàn)有效的自旋注入是必要的。同時我們還發(fā)現(xiàn)，由于鐵磁/有機半導(dǎo)體接觸而形成的肖特基勢壘不利于自旋注入，因此要想實現(xiàn)有效的自旋注入，界面附近必須采用重