铁磁/有机半导体/铁磁结构中自旋注入输运性质的理论研究

论文摘要

自旋电子学自1994年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学科而备受科学界和电子工业界的关注,具有广阔的应用前景。自旋电子学的出现被称为是1999年物理学界十大重大事件之一,它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点,并将成为本世纪信息产业的基础,对未来的电子工业发展将起到举足轻重的作用。作为信息产业基本元素的半导体器件,是以电子（或空穴）的电荷特征来传递信息。具体地说,通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向混乱,因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够了。自旋电子学不仅利用了电子的电荷特性,而且还考虑了电子的自旋特性,它将通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着未来加工技术和大规模集成电路的发展,电子器件的尺寸越做越小,当尺度在纳米范围内,自旋在很多方面要比电荷更优越,如数据处理快、能耗低集成度高、稳定性好等。因此,自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。具体讲来,自旋电子学就是一门以研究电子的自旋极化输运特性以及基于这些特性而设计、开发新的电子器件为主要内容的一门交叉学科,其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。自旋电子学的研究大多数使用的是无机半导体。然而相比于无机半导体,有机半导体又有它的特色,柔性的原子结构使它容易与任何材料形成良好的界面,从而降低注入势垒。弱的自旋轨道耦合和超精细相互作用,使自旋具有更长的弛豫时间。由于有机半导体具有强的电子晶格相互作用,因此注入的电子将导致晶格发生畸变,最后形成电荷自陷态,使得有机半导体中的载流子是极化子、双极化子和孤子等准粒子,它们具有独特的电荷-自旋关系,从而使有机半导体具有更复杂的自旋注入和输运性质。探讨有机半导体在自旋电子学及生命系统中的功能和应用具有重要意义。由此将自旋电子学和有机半导体结合,得到了一些具有新的功能的电子器件,形成了一个新的学科分支—有机自旋电子学。有机自旋电子学将有机半导体材料作为研究对象,通过外加磁场、电场等条件研究有机半导体材料内载流子的自旋特性,是自旋电子学与有机半导体相结合的交叉学科。有机半导体具有丰富的光学、磁学和电学性质,并且已经在OLED（Organic Light Emitting Diodes）、显示器等方面得到了广泛的应用,如高分子-金属配合物、分子内含氮氧稳定自由基结构的有机化合物、平面大∏键结构的有机物以及电子转移复合物等,这些本身具有磁性的有机半导体为研究其内部的自旋特性提供了有利条件。有机自旋电子学作为一个颇具潜力新兴领域正吸引着越来越来多的人对其机理和性质进行研究,其重要的应用研究方向有:有机自旋阀器件、自旋有机电致发光器件（OLED）和有机磁阻器件OMAR（Organic magnetoresistance）。探讨有机材料在自旋电子学领域的应用具有重要的基础研究价值和潜在的应用背景,这也是当前国际上许多课题组密切关注的一个研究对象。有机自旋电子学作为自旋电子学新的分支领域已经引起了人们足够的重视。2002年Dediu研究组首次报道了室温下有机半导体的自旋注入和输运,并且在La0.7Sr0.3MnO3/T6/La0.7Sr0.3MnO3（LSMO/T6/LSMO）结构发现了负磁阻,表明有机层内存在自旋极化注入,两电极之间的输运电流是自旋极化的。2004年,Xiong等人合成了LSMO/Alq3/Co有机自旋阀,在低温11K下得到了40%的负磁阻,同时发现温度效应特别明显,在室温下几乎观测不到磁阻。2006年,Majumdar等人采用LSMO作为自旋极化电极,研究了LSMO/polymer/Co结构中的自旋极化注入现象,重点讨论了界面效应的影响等。对有机半导体中自旋注入和输运理论研究包括以Xie等人为代表的量子理论和以Smith和Z.G.Yu等人为代表的经典理论两个方面。前者能够描述自旋极化输运的微观机理,而后者可以得到一些与实验比较的物理量。近几年,人们已经对有机材料中的自旋极化注入和输运做了大量的理论工作。但是一些具体的问题人们还不是很清楚,例如,电场对铁磁/有机半导体两层结构自旋注入的影响,磁场对两层结构自旋注入和自旋极化的影响,电场和磁场对三层结构铁磁/有机半导体/铁磁自旋注入输运以及磁阻的影响,极化子比率对其自旋注入输运以及自旋极化的影响,自旋相关的界面电阻对其自旋注入以及自旋极化的影响等等。本文基于经典的漂移-扩散理论上对上述问题展开相应的研究,研究内容和结果如下:1.电场对两层结构铁磁/有机半导体自旋极化注入输运的影响。自从2002年Dediu课题组研究了在铁磁有机材料中的自旋注入问题,测量了其在室温下的自旋扩散长度是200nm.其自旋扩散长度不仅与载流子有关系,而且还与外加的温度、压力、电场有关系。这里我们只讨论电场对其自旋扩散长度的影响。在电场的作用下,其扩散长度将发生变化。我们通过理论计算与推导,重新定义了扩散长度,并且根据新的扩散长度的定义我们又得出了自旋扩散电流的表达式。这对我们进一步研究电流自旋注入有机半导体具有非常重要的意义。基于自旋扩散漂移方程和欧姆定律,理论研究了电场对铁磁/有机半导体界面的电流自旋极化性质的影响。考虑到有机半导体内特殊的载流子以及电场对其自旋扩散长度的影响,计算了界面处的电流自旋极化率。结果表明,高电场可以使界面处的电流自旋极化率得到有效提高。同时还进一步研究了电场下有机半导体中极化子比率、自旋相关界面电阻等因素对电流自旋极化的影响。2.磁场、电场对两层结构铁磁/有机半导体自旋极化注入输运的影响。我们理论研究了外加电场和磁场自旋扩散长度并进一步对铁磁/有机半导体结构的自旋极化注入和输运的影响。基于自旋扩散漂移方程和欧姆定律,考虑到有机半导体中特殊的载流子,我们得到了电流自旋极化率。结果表明,通过改变电场和磁场的大小可以使电流自旋极化率得到一定程度的提高。同时从自旋相关界面电阻和有机半导体中特殊载流子（极化子和双极化子）等因素的影响可以得到显著的电流自旋极化率。3.磁场、电场对三层结构铁磁/有机半导体/铁磁自旋极化电流和磁阻的影响。在前面我们已经详细的描述了电场、磁场对铁磁/有机半导体两层结构的自旋极化输运性质的影响,由于铁磁/有机半导体/铁磁是制作有关自旋器件的最佳模型。基于实验上对三明治结构的研究,我们从自旋扩散漂移理论出发,理论上研究了电场、磁场对铁磁/有机半导体/铁磁三明治结构电流自旋极化电流和磁阻的影响。通过计算发现,在考虑有机半导体中的特殊载流子的同时,通过改变电场、磁场的大小可以使得电流自旋极化率提高几个数量级。另外,电场、磁场对三明治结构中磁阻的影响我们也做了相应的讨论。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 有机电子学
• 1.1.1 有机小分子层
• 1.1.2 聚合物
• 1.1.3 有机半导体内部的载流子
• 1.2 自旋电子学
• 1.2.1 自旋电子学的研究发展
• 1.2.2 自旋极化和自旋输运
• 1.3 有机自旋电子学
• 1.3.1 有机自旋电子学的优势
• 1.3.2 有机自旋电子学的理论研究
• 1.3.3 有机自旋电子学的实验研究
• 1.4 拟展开的研究内容
• 参考文献
• 第二章 载流子的自旋漂移扩散理论
• 2.1 载流子的扩散运动
• 2.1.1 过剩载流子的产生
• 2.1.2 过剩载流子的复合
• 2.1.3 载流子的扩散运动
• 2.1.4 一维稳定扩散
• 2.2 载流子的漂移运动
• 2.3 连续性方程
• 参考文献
• 第三章 电场、磁场对铁磁
• 3.1 电场对铁磁/有机半导体两层结构自旋极化注入的影响
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 模型和公式
• 3.1.3 结果与讨论
• 3.1.4 小结
• 3.2 电场、磁场对铁磁/有机半导体两层结构自旋极化输运性质的影响
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 模型与公式
• 3.2.3 部分结果与讨论
• 3.2.4 总结
• 参考文献
• 第四章 电场和磁场对铁磁/有机半导体/铁磁三明治结构自旋极化电流和 磁阻的影响
• 4.1 引言
• 4.2 模型与公式
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 总结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢