肖特基接触的铁磁/有机系统的自旋极化性质研究

摘要

自旋电子学是现代凝聚态物理学极具研究潜力的领域之一。与传统的电子学不同，自旋电子学将电子的自旋特性和电荷特性相结合，其核心内容是研究自旋极化电子的注入、输运、探测及自旋控制，其目的是将器件的电特性、光特性和磁特性等组合在一起，实现新型的自旋电子器件。自旋电子学器件包括铁磁金属或磁性半导体与绝缘体、超导体、导体、半导体等构型的复合，也包括近几年提出的有机功能固体或纳米小分子器件。目前，一些原型器件已被设计出来，如 Datta和Das设计了第一个自旋晶体管等。器件的实际应用需要解决如何有效地将自旋极化电流注入半导体的问题，这要求理论与实验研究中准确描述自旋注入、演变以及界面效应等。
　　相对于普通固体材料，柔软的有机半导体(OSCs：Organic semiconductors)可以和磁性层形成良好的接触，能有效减少自旋在界面的散射。由于有机材料弱的自旋-轨道耦合和超精细相互作用，载流子的自旋驰豫时间比较长，因而有机材料是实现自旋极化输运的理想候选材料。不同于传统的无机半导体中的载流子是电子，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，它们具有更复杂的电荷自旋关系，使有机自旋器件具有更丰富的特性。从小分子到高分子，人们对有机材料的电磁光等特性的认识越来越深入，无论从量子理论还是从经典理论出发，都得到了与实验具有可比性的理论结果。特别地，近几年来将有机半导体与自旋电子学结合，人们得到了一些令人振奋的新现象和新效应，行成了一个新的学科分支——有机自旋电子学。
　　有机自旋电子学是研究有机功能材料及其相关器件中的自旋产生、消灭、转移与存储等物理现象和物理机理的学科。它包含与化学交叉的有机材料和与物理学科交叉的自旋电子学两个领域。将二者结合，探讨有机材料在自旋电子学领域的应用显然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方向。
　　2002年 Dediu课题组首次报道了有机材料中的自旋注入和输运，他们采用半金属 CMR材料La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作极化电子给体，有机层采用sexithenyl(T6)，实验发现了负磁电阻，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。近几年，已经有很多实验验证了有机材料中的自旋注入和输运现象。如2004年，Xiong等人制备了LSMO/Alq3/Co自旋阀，测得低温下可以实现40％的磁电阻效应；2008年，Dediu研究组报道了LSMO/Alq3/Al2O3/Co结构自旋阀中的自旋极化和输运，他们在有机半导体和金属电极之间加了一层绝缘的隧穿势垒层，使自旋注入到有机半导体中的效率大大提高。2009年，Zhang等人研究了8-hydroxyquinoline-aluminum(Alq3)/Al2O3/Co结构中的自旋极化注入和输运，研究了缓冲层 Al2O3的存在对自旋极化注入和输运的影响
　　对有机半导体中自旋注入和输运的理论研究包括以Xie等人为代表的量子理论和以Smith和Yu等人为代表经典理论两个方面。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可以与实验比较的物理量。这些现有的理论都没有考虑实际实验研究中的关键问题——铁磁层和有机半导体接触时形成的肖特基势垒。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，有机半导体中极化子和双极化子之间的共存和转化对自旋极化注入和输运的影响，铁磁/有机半导体界面电阻对自旋注入和输运的影响，肖特基接触对铁磁/有机半导体结构的自旋极化性质的影响等等。本论文基于经典的漂移-扩散理论对上述问题展开相应研究，研究内容和结果如下:
　　1、极化子和双极化子对自旋极化注入性质的影响
　　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，最后形成一些电荷自陷态，如极化子和双极化子等。极化子具有1/2自旋，双极化子不携带自旋。有机半导体中的极化子和双极化子并不是完全无关的，在外界条件，如温度、压力或者外场等作用下，两个自旋极化子可以湮灭成一个不带自旋的双极化子，一个双极化子也可以解离成两个极化子。人们在不考虑极化子和双极化子之间的转化的基础上，已经对它们在自旋输运中的作用有了初步的了解。但是正如上面所述，极化子和双极化子之间是存在转化的，这种转化对自旋极化注入和输运的影响会是怎样呢?本文我们假设有机半导体中极化子的比率是按指数形式衰减到有机半导体的内部，研究了铁磁/有机半导体结构中自旋的注入和输运。通过计算发现，匹配的铁磁层和有机半导体层电导率或大的有机半导体电导率有利于自旋注入，极化子比率衰减速率对有机半导体电流自旋极化率具有非常重要的影响。
　　2、铁磁/有机半导体界面电阻对自旋极化性质的影响
　　考虑了自旋相关界面电阻对系统自旋极化注入的影响。通过计算发现，当界面电阻满足一定的关系时能够得到一个比较高的电流自旋极化率，我们可以通过调节自旋相关界面电阻来提高自旋注入的效率。界面电阻可以通过隧穿势垒获得。有机半导体能够在层结构上自组织生长规则的单层膜，并且可以被用来制作规则的隧穿势垒而且势垒是自旋相关的。由于有机半导体的特殊性质，人们可以很容易地调节界面势垒，所以自旋注入到有机半导体中是值得期待的。本章为在有机半导体中产生一个比较高的电流自旋极化率提供一个有效的方法。
　　3、肖特基势垒对铁磁/有机半导体结构自旋极化性质的影响
　　Albrecht、Smith和Ruden研究了肖特基接触对铁磁/无机半导体结构自旋极化性质的影响。铁磁层和重掺杂的半导体之间形成肖特基势垒的同时也形成了适当的隧穿势垒，并已经证实了它能够有效的提高自旋注入的效率。肖特基势垒的存在对铁磁/有机半导体结构自旋极化性质的影响是怎样的呢?我们建立了一个简单的模型研究了肖特基接触对铁磁/有机半导体结构自旋极化性质的影响，讨论了电流自旋极化率随界面处肖特基势垒高度、有机半导体层中特殊载流子及其迁移率、界面附近掺杂浓度的变化关系。通过计算发现寻找在势垒区中载流子迁移率比较大的有机半导体材料对实现有效的自旋注入是必要的。同时我们还发现，由于铁磁/有机半导体接触而形成的肖特基势垒不利于自旋注入，因此要想实现有效的自旋注入，界面附近必须采用重掺杂来有效减少势垒区的宽度，且势垒的高度要限制在一定的范围内。

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第一章 前言

1.1 自旋电子学

1.2 有机半导体

1.3 有机自旋电子学

1.4 拟展开的研究内容

参考文献

第二章 自旋注入和输运的漂移、扩散理论

2.1 载流子的扩散、漂移运动

参考文献

第三章 极化子和双极化子对自旋极化性质影响

3.1 引言

3．2模型和公式

3.3 极化子和双极化子对自旋极化性质的影响

3.4 小结

参考文献

第四章 铁磁/有机半导体界面电阻对自旋极化性质的影响

4.1 引言

4.2 模型和公式

4.3 界面电阻对自旋极化性质的影响

4.4 小结

参考文献

第五章 肖特基势垒对铁磁/有机半导体结构自旋极化性质的影响

5.1 引言

5.2 模型和公式

5.3 肖特基势垒对自旋极化输运的影响

5.4 结论

参考文献

第六章 总结与展望

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢