有機(jī)聚合物中自旋注入及輸運(yùn)的動(dòng)力學(xué)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)的微電子學(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(yùn)和探測(cè)及自旋控制，其目的是將器件的輸運(yùn)特性、光特性和磁特性等組合在一起，實(shí)現(xiàn)新型的自旋電子器件。 在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，磁性半導(dǎo)體和半金屬是自旋注入半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵材料，而自旋極化的電子在磁性半導(dǎo)體、半金屬、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)是自旋電子學(xué)研究的核心問題。目前，一些原型器件已

2、被設(shè)計(jì)出來，如Datta和Das設(shè)計(jì)了第一個(gè)自旋晶體管；Zutic等人提出了磁場(chǎng)效應(yīng)晶體管的模型等。器件的實(shí)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(shí)驗(yàn)研究中準(zhǔn)確描述自旋注入、演變以及界面效應(yīng)等。目前研究發(fā)現(xiàn)，注入電流的自旋極化與兩層材料的電阻之比密切相關(guān)，而電阻不匹配正是傳統(tǒng)材料難以實(shí)現(xiàn)高自旋注入效率的原因所在。 相對(duì)于普通固體材料，柔軟的有機(jī)半導(dǎo)體(OSEs：Organic semiconduct

3、ors)可以和磁性層形成良好的接觸。由于有機(jī)聚合物弱的自旋—軌道耦合和超精細(xì)相互作用，載流子的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，因而有機(jī)聚合物是實(shí)現(xiàn)自旋極化輸運(yùn)的理想候選材料。從小分子到高分子，人們對(duì)有機(jī)材料的電磁光等特性的認(rèn)識(shí)越來越深入。其中，對(duì)于具有一維特征的導(dǎo)電聚合物的結(jié)構(gòu)和物性，特別是它的電特性，人們已經(jīng)有了一個(gè)比較準(zhǔn)確的理解。無論從量子化學(xué)還是物理建模出發(fā)，都得到了與實(shí)驗(yàn)基本一致的理論結(jié)果。而對(duì)于這種材料中的自旋相關(guān)特性在近幾年剛剛開始起步

4、，成為一個(gè)專門的方向——有機(jī)自旋電子學(xué)。 目前國(guó)內(nèi)外許多課題組都開始進(jìn)行有機(jī)自旋電子學(xué)的研究。Dediu等人首次研究了半金屬龐磁電阻鈣鈦礦材料La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)向有機(jī)材料齊分子聚合物六噻吩T6(sexithienyl)的自旋注入和輸運(yùn)，表明有機(jī)體內(nèi)的輸運(yùn)電流是自旋極化的；Xiong等人設(shè)計(jì)了有機(jī)薄膜自旋閥結(jié)構(gòu)，11K溫度下測(cè)得該自旋閥磁電阻達(dá)40％：有機(jī)分子自旋閥，有機(jī)納米線自旋閥等結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相繼報(bào)

5、道；Majumdar和Zhan等人還研究了界面效應(yīng)對(duì)自旋極化注入的影響。除此之外，人們也開始使用鐵磁性電極材料取代通常有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)中的普通電極，利用自旋極化來控制器件的發(fā)光效率。 有機(jī)自旋電子學(xué)的研究剛剛起步，在此領(lǐng)域還有一些關(guān)鍵問題尚不清楚，這些問題包括：聚合物中的載流子性質(zhì)分析、聚合物與鐵磁層的界面耦合、界面電導(dǎo)等因素對(duì)自旋注入的影響，自旋載流子在聚合物內(nèi)的自旋擴(kuò)散，各種自旋相互作用對(duì)自旋輸運(yùn)的影響等等。與無機(jī)

6、材料相比，有機(jī)材料有它的特殊性，如結(jié)構(gòu)上的低維特征與“軟”性，其載流子不再是通常的電子或空穴，而是帶電自陷態(tài)，如孤子、極化子、雙極化子等等。因此要真正實(shí)現(xiàn)具有可操作性的有機(jī)自旋電子器件，需要對(duì)有機(jī)材料內(nèi)自旋注入和輸運(yùn)的基本機(jī)理進(jìn)行研究。 目前對(duì)有機(jī)材料中自旋注入與輸運(yùn)的理論研究有兩大類：一是基于宏觀熱力學(xué)模型；二是基于自旋-電荷耦合的微觀模型。前者能夠描述自旋載流子在聚合物內(nèi)的自旋擴(kuò)散情況，而后者卻在了解自旋極化的微觀機(jī)理方面具

7、有優(yōu)勢(shì)。Xie等人結(jié)合有機(jī)材料中元激發(fā)的具體電荷-自旋關(guān)系，研究了CMR/有機(jī)聚合物系統(tǒng)的基態(tài)性質(zhì)，特別指出了極化子或雙極化子在有機(jī)自旋電子學(xué)中的重要作用理論。然而，上述模型僅僅描述了一種靜態(tài)的圖像，實(shí)際上自旋注入有機(jī)體和輸運(yùn)載流子的傳輸為非平衡過程。本論文中我們針對(duì)有機(jī)材料內(nèi)自旋注入和輸運(yùn)過程，在一維緊束縛SSH模型和BK模型的基礎(chǔ)上，通過非絕熱動(dòng)力學(xué)的方法，研究了有機(jī)共軛聚合物中的自旋注入和輸運(yùn)的動(dòng)態(tài)特性。在輸運(yùn)過程中，自旋受到自旋

8、相關(guān)散射的影響，并非是一守恒量，也是它不同于電荷輸運(yùn)的地方。本論文具體的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1.利用自組裝單層膜調(diào)節(jié)有機(jī)器件中的自旋注入 目前有機(jī)自旋器件的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作中，人們多數(shù)采用鐵磁電極實(shí)現(xiàn)自旋注入。我們提出了一種利用自旋極化的自組裝單層膜修飾金屬電極與聚合物界面，從而實(shí)現(xiàn)自旋極化注入的方法，并研究了有機(jī)層內(nèi)的載流子的自旋極化特征。 自組裝單層膜通常用來調(diào)節(jié)有機(jī)電子器件中的電荷注入，而使用自旋極化的

9、材料作為自組裝單層膜會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)自旋簡(jiǎn)并破缺。計(jì)算結(jié)果表明，自旋極化的自組裝單層膜改變了金屬電極與聚合物層之間的耦合強(qiáng)度，并且二者之間的耦合是自旋相關(guān)的。利用自旋極化的自組裝單層膜調(diào)節(jié)金屬電極與聚合物層之間的耦合強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)自旋極化的注入。另外，自旋注入過程中受到的自旋無關(guān)反轉(zhuǎn)散射會(huì)使注入效率降低，因此在實(shí)驗(yàn)中需要注意該效應(yīng)的影響。 自旋極化的注入會(huì)使有機(jī)材料內(nèi)部的載流子發(fā)生變化，利用非絕熱動(dòng)力學(xué)方法，我們給出了聚合物中的自

10、旋載流子的圖像。在較強(qiáng)的電子-晶格耦合作用下，注入的電荷形成自陷態(tài)。而在動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)過程中，由于電子的波動(dòng)性，它會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)擴(kuò)展。當(dāng)考慮聚合物內(nèi)載流子的特征時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一種具有非整數(shù)電荷和凈自旋的載流子，它不同于普通的極化子和雙極化子。我們將其稱為自旋準(zhǔn)極化子。自旋準(zhǔn)極化子的存在從理論上證實(shí)了自旋極化注入的可能性。 2.極化子自旋取向?qū)ぷ赢a(chǎn)率的影響 目前在有機(jī)發(fā)光二極管研究中，人們采用鐵磁電極替代普通金屬電極，用于提

11、高和控制單態(tài)激子的產(chǎn)率。兩個(gè)鐵磁電極平行和反平行排列時(shí)，單態(tài)激子的產(chǎn)率分別為0和50％。當(dāng)鐵磁電極極化方向夾角變化時(shí)，單態(tài)激子的產(chǎn)生效率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由鐵磁電極注入的極化子的自旋方向直接決定于鐵磁電極的極化方向，因此我們研究了極化子自旋取向的變化對(duì)碰撞后形成激子產(chǎn)率的影響。 研究發(fā)現(xiàn)，不存在電子-電子相互作用時(shí)，總的激子態(tài)產(chǎn)率并不隨極化子自旋取向的變化而變化。單、三態(tài)激子的產(chǎn)生效率均與極化子自旋取向夾角的余弦值cosφ呈線

12、性關(guān)系。單、三態(tài)激子產(chǎn)率的比值反比于cosφ。電子-電子相互作用會(huì)使總的激子態(tài)產(chǎn)率也隨極化子自旋取向的改變而改變。尤其單態(tài)激子的產(chǎn)率會(huì)受電子-電子相互作用的影響而降低。然而對(duì)于自旋反平行的兩個(gè)極化子碰撞形成的單態(tài)激子產(chǎn)率并不受電子-電子相互作用的影響。 3.有機(jī)聚合物中極化子的自旋進(jìn)動(dòng) 對(duì)于有機(jī)自旋器件，除了研究自旋極化的注入效率，對(duì)自旋輸運(yùn)的操控也是有機(jī)自旋器件研究的基本問題之一。自旋極化的載流子注入有機(jī)層之后，由于自

13、旋—軌道耦合等自旋相關(guān)的相互作用或外加磁場(chǎng)的影響，載流子在內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中可能發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)。在有機(jī)自旋器件中，目前有兩種主要的自旋控制方法，一種是在自旋閥中利用兩邊鐵磁電極的自旋極化取向來控制自旋注入的極化方向，另一種就是利用門電壓或外加磁場(chǎng)對(duì)輸運(yùn)過程中載流子的極化方向進(jìn)行調(diào)控。我們研究了門電壓作用下極化子的自旋進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，并將其與磁場(chǎng)作用下的自旋進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象作了對(duì)比，為將來有機(jī)自旋操控器件的制備提供了理論基礎(chǔ)。 門電壓作用下聚合物內(nèi)

14、的極化子自旋具有自旋進(jìn)動(dòng)特征。研究發(fā)現(xiàn)，載流子的自旋進(jìn)動(dòng)具有周期性特點(diǎn)，且自旋進(jìn)動(dòng)的周期長(zhǎng)度與自旋軌道耦合強(qiáng)度成反比。在剛性半導(dǎo)體中自旋進(jìn)動(dòng)發(fā)生在整個(gè)導(dǎo)帶中，即存在不同能級(jí)間的電子躍遷，稱為能級(jí)間進(jìn)動(dòng)。與此不同，通過對(duì)極化子瞬時(shí)本征能級(jí)上電荷占據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)材料中的自旋進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象只發(fā)生在極化子能級(jí)，即能級(jí)內(nèi)進(jìn)動(dòng)。由于門電壓可以控制極化子的進(jìn)動(dòng)末態(tài)，因此有可能將該效應(yīng)應(yīng)用到自旋相關(guān)的有機(jī)電子器件中。通過調(diào)節(jié)載流子的自旋進(jìn)動(dòng)，改變其從中

15、間層注出時(shí)的自旋取向。這樣，在注出層鐵磁電極的自旋極化方向不變時(shí)，我們能通過控制載流子的自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小的控制。 除門電壓控制方式之外，聚合物中運(yùn)動(dòng)的極化子在外加磁場(chǎng)作用下也會(huì)產(chǎn)生自旋進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的強(qiáng)度，我們可以控制極化子運(yùn)動(dòng)的速度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外加磁場(chǎng)下極化子進(jìn)動(dòng)的周期時(shí)間與極化子運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，其進(jìn)動(dòng)的周期長(zhǎng)度與極化子運(yùn)動(dòng)速度成正比。與此相反，門電壓控制下極化子進(jìn)動(dòng)的周期長(zhǎng)度與速度無關(guān)，其進(jìn)動(dòng)的周期時(shí)間與極化