基于跃迁理论的有机器件磁场效应研究

发布时间：2017-07-03 20:06

  本文关键词：基于跃迁理论的有机器件磁场效应研究

  更多相关文章： 自旋电子学 有机半导体 磁场效应 主方程 超精细相互作用

【摘要】：电子具有这样的两种属性,即电荷与自旋。曾经的多数研究中,科研工作者主要关注了电子的电荷方面的属性然而忽略它的自旋方面的属性。但是之后,因为自旋电子学领域经历了不断地发展壮大,科研工作者着手围绕着电子自旋方面的属性展开探讨和应用,其中最主要的研究为自旋极化,自旋注入以及自旋输运等等。铁磁电极(FM)/中间夹层(interlayer)/铁磁电极(FM)这样的基本结构,被用来研究自旋如何极化以及注入、输运。中间夹层是没有磁性的,像超导体、金属、传统的半导体甚至有机材料都可以作为夹层。首先对超导体夹层,由于库伯对的存在(它是不带自旋的),而不能输运自旋。金属中的载流子虽然是携带1/2自旋的扩展的电子,可是金属器件却不能放大这些信号。半导体中的电子或者空穴(携带1/2自旋)可以输运自旋,其能带有带隙,使其能够放大信号。有机聚合物应该是另外一个选择,因为它有着半导体的特点。聚合物还有着它自己的特性,“软”的原子构型使它能容易地的形成良好接触的界面或者一个合适的注入势垒。有机半导体包含小分子和聚合物构成的半导体。这些材料可以拥有较高的迁移率,表现出明显的功能特性。电子-晶格耦合在共轭聚合物中很强(区别于传统的半导体),其中的载流子不再完全扩展,而是与晶格耦合在一起的自陷束缚态。共轭聚合物中的载流子如孤子,极化子或者双极化子有着“准粒子”的特征,表现出完全的局域性,稳定性和完整性。在一些小分子晶体中,由于分子在平衡位置附近的涨落,一个额外的电子或空穴将形成一个自束缚的态,这和聚合物中的带电的激发态是相似的。有机半导体中这些激发态有着特定的电荷自旋关系。一个孤子有着一个相反的电荷自旋关系,即带电的孤子S±是不带自旋的,而一个电中性的孤子S0有着一个自旋±h/2,这与传统的电子和空穴载流子是不同的。一个带电的极化子携带着自旋±h/2,而一个双极化子拥有两个电子或空穴,所以它并不带自旋。因此,只有带电的极化子或者电中性的孤子才能作为自旋的载流子。有机小分子和聚合物具有许多电学、光学和磁学特性。此外,自旋轨道耦合在有机半导体中很弱(原子序数低),从而电子的自旋扩散长度特别长。本身的这些特点使得有机半导体成为了自旋极化注入和输运的理想的器件。在过去的几十年时间里,人们使用相关的有机材料制成了各式各样的功能器件,常见的和应用较多的为能源器件有机太阳能电池、有机发光二极管(可作显示器件用),还有有机场效应晶体管等。随着自旋输运方面的研究越来越深入和扩展,有机自旋电子学中另一个诱人的现象即有机磁场效应被发现了。有机磁场效应意味着在室温下,即使在没有磁性电极的情况下,非磁性有机半导体的电的或光的特性也会对很小的磁场(在mT的尺度上)产生很大的反应。作为有机磁场效应的一方面,有机磁电阻或有机磁电导行为表现出来的普遍的曲线形状可以用经典的洛伦兹型B2/(B2+B02)或非洛伦兹型[B/(|B|+B0)]2的公式或者它们的组合公式来拟合。一些也可以通过幂律分布如Bn,f1/B2+f2/B4或者d1B2+d2B4来拟合。通常,在0-15%之间的有机磁电阻值在大量的有机半导体中被发现。在一些情况下,一个约300%的磁电阻值也被观测到了有机半导体中自旋相关的电子过程的模型经过了不断增多的过程。当施加了一个外磁场后,相互作用不仅有自旋-塞曼相互作用,还有电荷-洛伦兹相互作用；氢核的核自旋超精细相互作用也可以包含其中。例如,Yu等人展示了超精细相互作用的系统性的研究,以及它在有机自旋电子学应用中所起的作用。到目前为止,三种机理已经被提出来解释有机磁场效应：(1)极化子对机制。在该机制下,磁场和超精细场共同作用可以控制单态与三态极化子对之间的转换,即单三态激子间的形成比例被调节,以此调节电致发光效率(主要在双极器件中)。(2)双极化子机制。极化子与双极化子之间的转换受磁场和超精细场控制,两者浓度比例因此变化。两者有效质量的不同导致其迁移率的不一样,磁场调节两者浓度比例,完成对器件电流的调节。(3)激子淬灭机制。此种机制里,极化子和三态激子发生作用(在其输运的过程相遇)而被三态的激子散射,由此表现出迁移率下降。单、三态激子之间的比例受磁场和超精细场共同作用调节,从而极化子被散射的概率也受影响(和三态激子碰撞),最终电流表现出随磁场变化的现象。这些机制都强调了超精细相互作用在有机磁场效应中的重要性。从最基本的电荷-速度(迁移率)的关系J=nev可知电流J不仅依赖于载流子浓度n,还依赖于载流子速度v。实验研究似乎揭示了载流子和迁移率μ(μ=v/E,E为电场强度)都能被磁场所影响。例如,通过利用电致发光光谱和电荷引起的吸收光谱技术,Nguyen等人分别测量了单态激子、三态激子和极化子的浓度对磁场的依赖性。他们发现所有的浓度随着磁场的增大而增加。然而,Veeraraghavan等人在聚芴(PFO)中进行了磁电阻测量,显示载流子迁移率受磁场调控,而载流子浓度没有变化。另外,Ding等人近来通过对由NPB:Alq3混合的发光层构成的有机发光二极管的研究中发现电致发光磁效应与载流子迁移率有着密切的关系。尽管人们提出了不同的唯象模型来解释有机磁场效应,但是其深层机理依然需要理解。需要指出是,大多数的理论工作仅仅给出了一个模型,至多进行了定性的研究。而实际上有机磁场效应应该既包含载流子和磁场相互作用的微观机制,又包含载流子在有机层中的输运特性,这两项都将有效地影响有机磁场效应。本文中我们考虑载流子受到磁场以及超精细场的影响,利用主方程研究了载流子的输运情况,并定量地给出了有机磁场效应。通过定量的研究,我们或许可以发现有机磁场效应的真正相关的机理。因为大多数的有机材料有着无序的结构,输运主要通过各个格点(分子)间的跃迁而不是带输运。由于无序造成的格点在位能的差异通常认为是高斯形式的。为了决定有机器件的迁移率,不同格点间的跃迁模型通过主方程方法得到了研究。主方程被证明是解释实验观察到的迁移率的一种有效的工具,它提供了理解在无序的有机半导体中输运的基本的框架。当涉及自旋指标的时候,情况将变得复杂。在这个工作中,跃迁率由施加的外磁场和超精细场共同决定。接下来我们利用了自旋相关的主方程,通过计算极化子的迁移率,在无序的有机半导体中我们得到一个很大的磁电导。通过选择合适的参数,理论结果与实验数据是一致的。在较强的超精细相互作用下磁电导将较慢地达到它的饱和值,这揭示了超精细相互作用在有机磁电导中的重要性。因为有机半导体中的载流子为局域的极化子,发现在较强局域的极化子情况下磁电导值变得更大。这也解释了为何有机半导体中的磁电导比无机半导体中的明显得多。此外,还发现磁电导值随着有机材料的各向异性的增加而增加,这建议我们应利用有着高各向异性结构或位形的有机材料来获得一个大的磁电导值。从大量的有机器件的实验测量中发现,有机磁电导呈现出复杂性。有机半导体中正的和负的有机磁电阻都被报道过,依赖电压变化和具体的材料或器件特点,还展示了随着电压变化从负磁电阻到正磁电阻的转变。当一个极化子局域在一个格点,它的自旋将有外磁场和内部有效的超精细场共同决定。极化子自旋的基态由自旋向上和向下的组分组成。Julliere模型在研究磁电阻时假设了自旋在输运过程中守恒(没有重新取向或翻转),又由于有机材料中自旋扩散长度比通常的无机材料中的长得多。所以在这个工作中我们假设在低的载流子浓度下,极化子在跃迁的过程中保持自旋取向不变。我们利用主方程计算了体系的迁移率并得到磁电阻。在合适的参数下,我们的理论模拟和实验观察拟合的很好。发现有机磁电阻依赖于材料的特性以及操作条件。我们的模拟结果显示有机磁电阻随着电场的变化从负到正。此外,当能量无序参数降低的时候,磁电阻也出现了符号的转变。在我们的模拟中,磁电阻的温度依赖性与它对能量无序宽度的依赖性是一致的。在强的超精细相互作用下,磁电阻较慢地达到它的饱和值,这揭示了超精细相互作用对有机磁电阻的重要性。此外,由于有机半导体中的载流子是极化子,发现局域性较强的极化子会使磁电阻变大。这说明了为何明显的磁电阻在有机的半导体中出现而不是在无机半导体中。以上的工作研究了单极器件中的磁场效应,下面将考虑双极器件中磁电阻的机理,在这里我们主要考虑三态激子作为陷阱对载流子输运的阻碍作用。在磁场、超精细相互作用和交换相互作用的的影响下,我们展示了电子、空穴以及电子-空穴对之间的转化,通过建立相应的方程,我们得到了三态电子-空穴对的浓度。因为电子-空穴对可以复合成激子,我们最终得到三态激子的浓度。为了模拟三态激子的陷阱效应,我们设定拥有三态激子的格点具有较低的在位能和更加局域的电子态。通过主方程的方法,我们得到了体系的迁移率并计算了磁电阻。结果显示磁电阻值随着陷阱深度的增加而增加。此外,如果有更多的电子-空穴对复合成激子,磁电阻将更加明显。在不同的电场下,我们的结果与实验的研究相一致。
【关键词】：自旋电子学 有机半导体 磁场效应 主方程 超精细相互作用
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 摘要8-12
• ABSTRACT12-18
• 第一章 绪论18-48
• 1.1 有机材料18-22
• 1.2 自旋电子学22-25
• 1.3 有机自旋电子学25-40
• 1.3.1 铁磁电极有机器件的自旋效应25-31
• 1.3.2 有机磁场效应31-40
• 1.4 拟展开的研究内容40-43
• 参考文献43-48
• 第二章 模型和方法48-58
• 2.1 有机材料的输运48-49
• 2.2 能量无序49
• 2.3 跃迁输运49-51
• 2.4 块状体系中电荷输运的模型51-52
• 2.5 主方程方法52-56
• 2.5.1 主方程方法描述52-53
• 2.5.2 求解各向同性的块状体系的稳态的主方程53-56
• 参考文献56-58
• 第三章 跃迁机制下大有机磁电导的研究58-70
• 3.1 引言58-60
• 3.2 模型和方法60-62
• 3.3 结果与讨论62-66
• 3.4 结论66-67
• 参考文献67-70
• 第四章 基于跃迁理论的有机磁电阻的研究70-82
• 4.1 引言70-71
• 4.2 模型和方法71-73
• 4.3 结果和讨论73-78
• 4.4 结论78-79
• 参考文献79-82
• 第五章 三态激子陷阱作用对有机磁电阻的影响82-96
• 5.1 引言82-83
• 5.2 模型和方法83-87
• 5.3 结果和讨论87-90
• 5.4 结论90-92
• 参考文献92-96
• 第六章 总结与展望96-98
• 攻读博士期间完成论文98-99
• 攻读博士期间参与课题99-100
• 致谢100-101
• 附录；发表英文文章101-125
• 学位论文评闽及答辩情况表125

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 任俊峰;张玉滨;解士杰;;铁磁/有机半导体/铁磁系统的电流自旋极化性质研究[J];物理学报;2007年08期

  本文关键词：基于跃迁理论的有机器件磁场效应研究

  更多相关文章： 自旋电子学 有机半导体 磁场效应 主方程 超精细相互作用

，

本文编号：514995