有机自旋三极管的理论模型与性质研究

论文摘要

二十世纪，以电子电荷为基础的微电子学取得了巨大成就，但是电子既有电荷特性又有自旋特性。在传统的微电子器件中，一直没有考虑到电子的自旋，只把电子看成电荷的载体。自1988年，自旋电子学(Spintronics)开始作为一门新的学科进入研究领域。电子自旋的注入和输运过程开始引起人们的重视，并逐步被展开研究。自旋注入的研究主要包括从铁磁金属到导体；铁磁金属到超导体；铁磁金属到非磁性半导体以及磁性半导体到非磁性半导体，或这些构型的复合等。有机半导体内具有较弱的自旋—轨道相互作用，更有利于自旋的注入与输运，因此成为了自旋输运的最佳候选材料之一。有机材料中实现自旋极化注入和输运已经成为自旋电子学的一个研究热点。有机半导体与传统的半导体相比，具有更丰富的电、磁、光学特性，已经在有机电致发光器件、自旋阀等方面得到了广泛的研究与应用，取得了一定的成果，形成了一个新的学科分支——有机自旋电子学。实验方面，2002年，Dediu研究组首次报道了La0.7Sr0.3MnO3/T6/La0.7Sr0.3MnO3（LSMO/T6/LSMO）三明治结构中的自旋注入和输运。2004年，Xiong等人在LSMO/Alq3/Co有机自旋阀中开展了自旋注入和输运的重要实验。2006年，Majumdar等人采用LSMO作为自旋极化电极，研究了LSMO/polymer/Co三层结构中的自旋极化注入与输运，着重讨论了界面效应的影响等。2008年，Dediu研究组再次报道了LSMO/Alq3/Al2O3/Co结构自旋阀中的自旋极化和输运，结构中在Alq3和Co电极之间加了一层绝缘的隧穿势垒层Al2O3，大大提高了自旋注入效率。2009年，Zhang等人研究了Alq3/Al2O3/Co结构中的自旋极化注入和输运，对自旋极化注入和输运受缓冲层Al2O3的影响进行了讨论。理论方面，主要包括量子理论（以Xie等人为代表）和经典理论（以Ruden,Smith以及Yu等人为代表）两种方法。量子理论可以从微观角度理解铁磁/有机系统的结构以及自旋输运的动力学；从经典的自旋扩散方程出发，借助欧姆定律等，可给出铁磁/有机系统的电流自旋极化率等宏观可测量。本论文在铁磁/有机半导体一维结构模型基础上，设计了T型结构有机半导体器件，从自旋扩散漂移方程和欧姆定律出发，考虑到有机半导体特殊载流子的电荷—自旋关系以及界面效应，对影响器件电流自旋极化率的因素进行了详细研究，结果表明T型结构有机半导体器件在一定条件下能够对电流自旋极化率起到放大作用，因此我们称为有机自旋三极管。具体内容和基本结果如下：1、极化子和双极化子对电流自旋极化率和放大率的影响有机半导体具有较强的电子—晶格相互作用，注入的电子会使晶格发生畸变，形成电荷自陷态，如极化子和双极化子等。在外界条件的影响下，如温度、压力以及外场等，极化子和双极化子之间能够相互转化；并且材料的性质能够影响极化子和双极化子的产生能，所以不同的材料中产生极化子和双极化子的数目和比例也不同。本文中假设有机半导体中极化子以一定比例存在，不考虑极化子的衰减以及与双极化子之间的转化，计算了极化子比率从0到1的变化过程中对器件电流自旋极化率的影响，结果表明电流自旋极化率与极化子比率密切相关，极化子比率越大，电流自旋极化率就显著提高。因此选用极化子产生能较低的材料更利于自旋极化的注入，适合的极化子比率能够实现电流自旋极化率的有效放大。2、电场对电流自旋极化率和放大率的影响自旋扩散长度标志着自旋注入强度的大小，它易受外界条件的影响，如温度、外场以及外界压力等。电场影响T型结构各分支中电流密度，进而影响此器件的电流自旋极化性质。我们只考虑电场对自旋扩散长度的影响，间接得到了电场对自旋极化电流的影响，并得出了关系式。通过计算发现，较强的电场能够提高自旋注入效率，但不利于T型结构对自旋极化的放大。3、界面电阻对界面处电流自旋极化率的影响通过计算发现可以通过调节自旋相关的界面电阻来提高T型有机自旋器件的自旋注入效率。界面电阻是能够通过隧穿势垒获得的。有机半导体能够在层结构上自组织生长规则的单层膜，而且能够用来制作规则的自旋相关的隧穿势垒。由于有机半导体具有自调节功能，可以形成一个比较小的界面电阻，同时人们可以调节界面电阻的自旋相关性，所以在T型器件中实现高效率的有机自旋注入是非常值得期待的。

论文目录

• 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