磁性异质结的自旋注入及自旋输运性质的研究

摘要

随着巨磁电阻和隧道磁电阻效应的发现，自旋电子学已成为凝聚态物理(或微电子学)中一个快速增长的领域，自旋注入和自旋输运是当前被广泛研究的课题。半导体是实现自旋输运和信号放大的最佳材料，而其中有机半导体(OSE，organic semiconductor)柔性的原子结构使其容易与任何材料形成良好界面、降低注入势垒，载流子独特的电荷．自旋关系使它区别于通常的无机半导体。针对有机半导体自旋注入的研究刚刚起步，影响其自旋输运的机制尚不明确。本论文针对有机半导体体系，从经典输运方程出发系统地研究并揭示了FM(铁磁)/OSE(有机半导体)磁性异质结结构自旋注入和自旋输运过程的主要影响机制，研究结果对自旋电子学器件研发可起到理论指导和推动作用。本论文的重要研究结果如下： 1．针对铁磁/有机半导体自旋注入体系，在考虑极化子电导自旋相关性的基础上，澄清了电场作用下有机半导体自旋注入的物理机制。研究结果表明：极化子电导自旋相关性的大小是自旋注入效率的控制性因素。即使在室温下，电场的微小变化对极化子电导的自旋相关性产生数量级的影响，可有效提高自旋注入效率；其次铁磁/有机半导体自旋注入体系的尺寸效应也会对自旋注入效率产生作用，而且越是电导匹配好的体系，这种效应会越明显；另外界面自旋翻转效应大大降低了铁磁/非磁性半导体/铁磁异质结的隧穿磁电阻，这一事实证明界面自旋翻转效应会对铁磁体/非磁性半导体/铁磁体异质结的隧穿磁电阻可以产生很重要的影响。 2．结合有机半导体载流子的特性，采用自旋漂移扩散方程，系统研究了电场对有机半导体自旋流和有机半导体自旋极化率的影响，揭示了电场对有机半导体自旋极化过程的作用规律，是提高有机半导体自旋极化的研究领域中重要的理论结果，对设计有机半导体自旋量子器件具有指导作用。研究结果表明：随着外电场的增大，极化子的有效自旋扩散长度也随之增大，这直接导致电导自旋相关性的增加，并最终使FM/OSE体系自旋流、有机半导体的自旋极化率都随电场的增大而增大。 3．针对有机半导体以及具有弱自旋轨道耦合的无机半导体，修正了有效磁场作用下的自旋退相理论，并进一步研究了有机半导体的自旋退相机制，发现了偏压对其自旋退相的作用规律，为发展半导体自旋场效应管提供了新的设计思路。针对自旋退相的理论模型，结合自旋流的物理意义，考虑了扩散对半导体自旋电子器件自旋输出端自旋流的贡献，拓展了该理论模型的适用范围；而且在计入电场和温度的影响后，修正得到的自旋寿命与实验结果是一致的。对有机半导体的自旋退相研究表明：由于偏压只对带电的极化子产生作用，在自旋输运层加同样偏压的情况下，有机半导体比Si表现出更为明显的自旋退相和自旋相干性，可以在更大尺度上实现连续的自旋输运。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1自旋电子学

1.1.1自旋电子学简介

1.1.2自旋注入和自旋流的产生

1.1.3自旋退相对自旋极化输出的影响

1.1.4自旋电子器件及应用

1.2有机半导体的研究概况

1.2.1有机半导体的性质和应用

1.2.2有机半导体的元激发

1.3有机自旋电子学

1.3.1有机自旋电子学的实验研究

1.3.2有机自旋电子学的理论研究

1.4本论文的研究内容及意义

第2章理论模型的构建

2.1计算模型

2.1.1无机半导体的研究模型

2.1.2有机半导体的研究模型

2.2方法改进

2.2.1忽略电场作用的自旋输运

2.2.2轻度掺杂半导体的自旋输运

2.3本章小结

第3章有机半导体的自旋注入

3.1引言

3.2极化子电导自旋相关性和尺寸效应对自旋注入的影响

3.2.1自旋输运模型与计算

3.2.2 FM/OSE自旋注入效率

3.2.3尺寸效应对自旋注入的影响

3.3电场对FM/OSE自旋注入的影响

3.3.1自旋输运模型和计算

3.3.2电场作用下的自旋注入效率

3.4界面效应对自旋注入的影响

3.4.1引言

3.4.2模型和计算

3.4.3磁电阻计算结果

3.5本章小结

第4章电场对FM/OSE自旋输运的影响

4.1引言

4.2电导的自旋相关性对自旋流的影响

4.2.1模型和公式

4.2.2有机半导体的自旋流

4.3电场对自旋输运的影响

4.3.1电场对自旋流的影响

4.3.2电场对电导自旋相关性的影响

4.4自旋注入对自旋极化率的影响

4.4.1引言

4.4.2自旋输运模型和计算

4.4.3自旋极化率与极化子电导的自旋相关性

4.5本章小结

第5章半导体自旋电子器件中的自旋退相

5.1引言

5.2模型和公式

5.2.1自旋弛豫时间的修正

5.2.2自旋输出端的自旋流密度

5.3 Si的自旋退相

5.4有机半导体的自旋退相

5.4.1磁场对有机半导体自旋退相的影响

5.4.2电场对自旋退相的影响

5.5本章小结

总结

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢