有机自旋电子器件中的自旋界面研究进展

自旋器件有望实现量子信息存储、传感和计算,是下一代数据存储和通信的理想器件.与无机自旋器件相比,有机自旋器件不仅可以实现传统无机自旋器件的功能,而且在同一有机自旋阀器件中会同时测到正负磁电阻信号,这是因为有机分子与铁磁电极在界面会发生自旋杂化而产生独特的自旋界面.通过控制自旋界面,可以改变界面处分子能级展宽和偏移程度,从而实现对磁电阻信号的可控调制.有机自旋阀器件发展迅速,但仍有一些问题亟待研究,如对自旋界面进行识别和表征,以及利用自旋界面对有机自旋阀信号进行操控等.针对上述问题,本文首先综述了有机自旋阀的基本原理,通过对比无机有机材料能级结构的差异解释了有机自旋阀中自旋界面形成的原因,对于有机自旋阀中磁电阻信号的增强和反转现象,利用自旋界面模型中能级展宽和偏移进行了解释;接着列举了自旋界面的实验识别案例,如利用对表面敏感的表征技术对自旋界面进行识别以及设计新颖的器件结构验证自旋界面的存在等;然后汇总了利用自旋界面调制自旋信号的相关工作,自旋界面的调制可以通过电场调节铁电层的铁电极化、诱导铁磁电极相变、界面化学工程和磁交换相互作用等方式实现;最后总结了有机自旋界面中仍需解决的问题,并对有机自旋界面的识别和可控利用进行了展望.

有机铁磁体自旋输运和载流子特性理论研究

有机铁磁体结合了铁磁体磁特性和有机材料软特性,在有机自旋电子学领域新型材料及器件设计方面具有广阔的应用前景.本文介绍了有机铁磁器件自旋输运方面的研究进展,讨论了基于有机铁磁的自旋过滤、多态磁电阻和自旋整流等新奇概念,阐明了有机铁磁体自身相互作用,如电子-晶格耦合和侧基自旋关联在以上现象中所扮演的角色.同时,对有机铁磁中的极化子特性及微观动力学过程进行了探究.这为未来设计新型有机铁磁器件提供了理论指导.

有机铁磁界面自旋极化接触构型效应

基于第一性原理，研宄了三种不同的接触构型垂直吸附在镍表面的苯双硫分子的界面自旋极化．结果表明界面自旋极化强烈依赖于接触构型，接触构型的变化可使自旋极化由正值变为负值．通过分析投影态密度，发现界面处镍原子的3d轨道与硫原子的sp3杂化轨道发生了轨道杂化．模拟机械可控断裂结实验中的界面吸附构型，根据计算的界面自旋极化，利用Julliere模型得到磁电阻约为27％，与实验测量结果较为符合．

有机自旋器件磁性渗透层中双极化子对自旋极化输运的影响

根据实验发现的有机器件如Co/有机半导体/La0.7Sr0.3Mn O3中磁性原子渗透现象,利用自旋漂移-扩散方程,理论研究了磁性渗透层中极化子-双极化子的转化对自旋极化输运的影响.研究发现:磁性渗透层具有不同于纯净有机层的迁移率和自旋反转时间,都将影响极化子-双极化子的转化,进而影响自旋极化的输运;在磁性渗透层中极化子自旋反转时间的劈裂是引起自旋弛豫的主要因素,而极化子和双极化子之间的转化是重要因素.

极化子比率变化对自旋注入有机半导体性质的影响(英文)

从自旋扩散方程和欧姆定律出发研究了铁磁层到有机半导体的自旋注入,得到了系统的电流自旋极化率.有机半导体中的载流子为自旋极化子和不带自旋的双极化子,极化子比率在有机半导体内随输运距离变化.通过计算发现匹配的铁磁和有机半导体电导率有利于自旋注入;通过调节界面电阻自旋相关性,电流自旋极化率可获得很大程度提高;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.

并五苯分子电荷注入导致自旋极化的密度泛函理论研究

用密度泛函理论研究了不带自旋的空穴注入并五苯后体系的自旋相关特性. 电荷注入后并五苯分子中存在自发自旋极化行为. 当注入电荷量达一定程度，分子磁矩随注入电荷量的增加呈线性增长，最大磁矩可达1μB. 注入电荷和并五苯分子的相互作用导致分子体系结构发生变化，同时电荷密度分布及自旋密度分布也发生了变化. 注入电荷先填充自旋劈裂的碳原子pz轨道.

双极化子对有机器件磁电阻的影响

由于双极化子为有机材料内有效的载流子,我们利用漂移-扩散方程,研究了有机半导体中自旋极化率随双极化子浓度的变化,进而利用Julliere公式得出磁电阻的变化.发现,有机材料内自旋极化率随双极化子浓度的增加而增加.改变材料内双极化子的比例,可以有效地调节器件的磁电阻.

有机磁体中极化子漂移的动力学模拟

采用一维紧束缚模型,研究了一维有机磁性聚合物中极化子在外加电场下漂移的动力学行为.计算结果表明:侧基和主链电子的自旋耦合使得侧基悬挂格点上电子的在位能升高(或降低),作为一个势垒(势井)阻碍极化子的运动.当驱动电场大于某临界值时,极化子会突破势垒(势井)的束缚,在磁性聚合物分子内自由漂移.磁性聚合物分子中的自旋反转因素可以通过调节极化子自旋降低临界电场.

有机自旋阀的磁电阻性质研究

考虑到有机半导体中极化子和双极化子特殊的电荷-自旋关系,从自旋扩散方程和欧姆定律出发,理论研究了"铁磁/有机半导体/铁磁"有机自旋阀结构中的磁电阻性质.计算发现,磁电阻在数值上随有机半导体层中极化子比率的增加而增大,随有机半导体层厚度的增加而迅速减小.同时发现自旋相关界面电阻能在很大程度上提高系统的磁电阻.讨论了铁磁层和有机半导体电导率比率、铁磁层极化率等对系统磁电阻性质的影响.

有机自旋阀及其磁电阻效应

随着巨磁电阻效应(GMR)的发现,自旋电子学迅速兴起并成为一门新的学科。自旋电子学以电子的自旋属性为信息载体,有望实现集逻辑、存储和通信于一体的多功能、低功耗器件,为下一代电子学开辟新的路径。有机半导体具有低自旋轨道耦合、弱超精细相互作用和长自旋弛豫时间等特点,因而受到了极大关注。有机自旋阀(OSVs)是研究有机材料中自旋注入和传输的原型器件。本文综述了有机自旋阀的发展历程,总结了有机半导体的自旋弛豫机制,详细分析了有机自旋阀中存在的关键科学问题,如室温自旋传输的实现策略和磁电阻符号问题,介绍了自旋有机发光二极管和自旋光伏器件等新型自旋器件,最后对有机自旋电子学未来发展进行了展望。

T型有机器件自旋注入效率的提高

考虑到有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系,建立了一个自旋注入有机半导体的简单的T型器件模型,运用自旋扩散理论计算得出了此模型的电流自旋极化率并与铁磁/有机半导体异质结构的注入效率进行了比较.理论计算发现T型模型中通过调节分支电流的大小会使自旋极化率较铁磁/有机半导体模型有明显的提高,并讨论了极化子比率、外加电场、自旋相关界面电阻以及有机半导体电导率等因素对电流自旋极化性质的影响.

有机器件电流自旋极化放大性质研究

基于自旋扩散漂移方程,考虑到电场的影响及有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系,对一个简单的T型结构有机自旋器件模型进行了理论研究,得出了此有机器件的电流自旋极化放大率表达式.研究表明,器件中极化子比率、电场和电流密度都会影响器件的电流自旋极化放大率,通过调节此有机器件的电场和极化子比率可以获得较大的电流自旋极化放大率.

扰动对有机磁体器件自旋极化输运特性的影响

基于紧束缚模型和格林函数方法,研究了有机磁体晶格扰动和侧基自旋取向扰动对金属/有机磁体/金属三明治结构有机自旋器件自旋极化输运特性的影响.计算结果表明:晶格扰动的存在降低了器件的起始偏压,减小了导通电流,并使得电流-电压曲线的量子台阶效应不再显著,扰动不太强时电流仍呈现较高的自旋极化率;而侧基自旋取向扰动减小了体系的自旋劈裂,增加了器件的起始偏压,低偏压下随着扰动的增强器件电流及其自旋极化率明显降低.进一步模拟了温度对器件自旋极化输运的影响.

有机Co/Alq_3/La_(1-x)Sr_xMnO_3(LSMO)器件磁电阻的温度效应研究

根据最近关于温度对有机磁电阻影响的实验研究,利用漂移-扩散方程,计入温度对极化子迁移率和自旋弛豫时间的影响,研究了有机半导体中自旋极化率随温度的变化,进而利用Julliere公式给出器件的磁电阻.发现,在温度较低的区域磁电阻减小幅度大于温度较高的区域,磁电阻随温度变化的主要因素为自旋弛豫时间.最后将计算结果与实验数据作了比较,得到与实验相符合的结果.

2017年有机功能材料研发热点回眸

从高效柔性有机半导体器件、高效有机太阳能电池、高效有机白光二极管、有机光伏器件的磁效应、有机自旋光伏器件设计等5个方面,盘点了2017年有机功能材料领域的重要研究进展;从有机电子学、有机光电子学和有机自旋电子学等多个角度,回顾了有机功能材料新奇的物理现象及原理;预测了该领域未来的发展方向。