有機半導體中的奇特磁效應.pdf

1、自從發(fā)現(xiàn)了有機發(fā)光二極管中的磁效應以來，人們針對這一奇特效應進行了大量研究工作，其中發(fā)現(xiàn)了許多新奇的有機磁電導(Organic Magneto-condutance，OMC)和有機磁電致發(fā)光(Organic Magneto-Electroluminescence，OMEL)。300K時，在外加磁場作用下，有機光電器件的MC或MEL的增加值就能達到百分之幾甚至百分之幾十。正是由于其特殊性能，有機磁效應可在傳感技術、信息存儲、手寫輸入及新奇

2、高效節(jié)能顯示器等方面具有十分重要的開發(fā)價值。近些年來，通過國內外各研究組進行深入研究，雖然對有機磁效應的理論機理進行的研究取得了進步，但有機磁效應中包含的許多關鍵性問題仍需要解決。如:在超小磁場范圍內基于Alq3的有機發(fā)光二級管磁電導曲線是否與較大磁場范圍內都滿足B2/(|B|+B0)2規(guī)律;非平衡傳輸機制調控下的正、負真負磁電導的產(chǎn)生機制;洛倫茲線型和非洛倫茲線型的產(chǎn)生條件和根源;不同金屬電極特性是否能對有機發(fā)光二級管磁效應產(chǎn)生影響等

3、。
　　 本論文主要針對上述關鍵問題進行研究，對有機磁效應的產(chǎn)生機理及應用前景進行分析。所有研究的最終目的都是充分理解和掌握有機磁效應的產(chǎn)生機理和基本規(guī)律，寄希望尋找出一種能夠對有機磁效應進行有效調控的手段，以至于能夠開發(fā)出匯集電、光、磁一體的高新的多功能半導體器件。
　　 本論文主要包括以下幾個部分:
　　 (1)第一章首先介紹了有機半導體的一些研究概況，以及近年來各研究組所取得的新進展;其次，大致介紹了有機半

4、導體器件磁效應研究的重要性，及其有機磁場效應研究的應用價值等;然后，分別介紹了幾種基于有機發(fā)光二極管磁效應解釋的理論模型;以及最后分析了有機發(fā)光二級管磁效應研究亟待解決的問題。第二章主要介紹了有機發(fā)光二極管的制備工藝及數(shù)據(jù)測量所需的實驗儀器和測量步驟方法等。
　　 (2)第三章制備了基于Alq3的常規(guī)有機發(fā)光二極管，器件結構為ITO/NPB/Alq3/LiF/Al，并在不同工作溫度下測量了器件在不同偏壓下傳導電流磁場效應。在較大

5、的磁場范圍內，磁電導曲線基本服從B2/(|B|+B0)2規(guī)律。而在超小的磁場范圍內，測量結果則顯示出奇特的超小磁效應。結合載流子自旋與有機分子中核自旋之間的超精細相互作用可對載流子自旋的調控，我們可以對這種超小磁場效應給出合理解釋。
　　 (3)第四章采用插入較厚(40，80和120 nm)的BCP空穴阻擋層，制備了結構為ITO/CuPc/NPB/Alq3/BCP(x nm)/Al的有機發(fā)光二極管，并在不同溫度下測量了器件電流隨

6、外加磁場的變化(即magneto-conductance，MC)。發(fā)現(xiàn)不同厚度BCP插層器件在低場(0≤B≤50 mT)下均表現(xiàn)為正磁電導效應，且這一特性與器件工作溫度無關。但高場部分(B＞50 mT)的MC卻表現(xiàn)出對溫度及厚度有較強的依賴關系，即隨著溫度的降低，120 nmBCP插層器件表現(xiàn)出明顯的正負磁電導轉變;而80和40 nm的BCP器件則不存在這種轉變現(xiàn)象，在低溫下只存在負磁電導成分。其原因可能是: MC低場正磁電導部分由超精

7、細相互作用引起;而高場MC的正負轉變則主要是由于較厚BCP插層引起大量沒有復合的剩余空穴，與低溫下長壽命的三重態(tài)激子相互作用（即TQA作用）引起的。
　　 (4)第五章本部分采用三類金屬陰極材料Ca，Al和Cu(Au)通過分子束沉積和電子束加熱方式制備了有機發(fā)光二極管ITO/CuPc/NPB/Alq3/金屬陰極，并在300，200，150，100，50和15K6個溫度下，分別測量了不同電極器件的發(fā)光隨外加磁場的變化(即magne

8、to-electroluminescence，MEL)。在室溫300 K下，發(fā)現(xiàn)Ca，Al和Cu(Au)電極器件的MEL在低場(0≤B≤50mT)均表現(xiàn)為快速上升;但隨磁場(B＞50 mT)的進一步增大，Ca和Al電極器件的MEL緩慢變大并逐漸趨于飽和，且與陰極的制膜方式無關;而采用電子束加熱方式制備的Cu(Au)電極器件，其MEL卻表現(xiàn)出高場緩慢下降;且溫度越低，該類Cu電極器件MEL的高場下降更為顯著。實驗研究表明，Ca和Al電極器

9、件的MEL主要是由超精細耦合作用隨外加磁場變化引起的。但電子束加熱方式制備的Cu(Au)電極器件的MEL除了超精細耦合作用引起的低場快速上升外，其高場下降的可能機制則是:Cu(Au)電極器件中電子-空穴對的俘獲區(qū)(e-h capturezone)靠近陰極界面，相比較于熱蒸發(fā)的方式，電子束蒸發(fā)的方式更容易使重金屬Cu(Au)原子得到更高的能量，使其滲透進相鄰的有機層Alq3中，Cu(Au)原子的強自旋軌道耦合作用導致電子-空穴對發(fā)生自旋翻