改善有機(jī)電致發(fā)光器件的效率和穩(wěn)定性的研究

1、第四章利用控制載流子自旋狀態(tài)來改善有機(jī)電致發(fā)光器件的效率的初步研究4.1引言有機(jī)電致發(fā)光器件按照所使用的材料來分可以分為有機(jī)電致熒光器件（使用熒光材料作為發(fā)光材料的器件）和有機(jī)電致磷光器件（使用磷光材料作為發(fā)光材料的器件）兩大類。在理想情況下，有機(jī)電致熒光器件的內(nèi)量子效率最高只能達(dá)到25%因?yàn)榉謩e從陽(yáng)極注入的空穴和從陰極注入的電子在發(fā)光區(qū)相遇時(shí)形成單線態(tài)激子（總的自旋量子數(shù)S=0的數(shù)目與形成三線態(tài)激子（總的自旋量子數(shù)S=D的數(shù)目之比為1:3:單線態(tài)激子通過輻射復(fù)合發(fā)射熒光，三線態(tài)激子在通常情況下，由于自旋對(duì)稱守恒向基態(tài)的躍遷是禁止的，通過碰撞以及別的形式回到基態(tài)，這部分占總數(shù)75%勺能量就浪費(fèi)

2、掉了。有機(jī)電致磷光器件由于在有機(jī)分子中引入了重原子（通常是重金屬原子）增強(qiáng)了自旋-軌道偶合效應(yīng)，使三線態(tài)激子向基態(tài)的躍遷由禁止變?yōu)榭赡?，這樣在理論上單線態(tài)和三線態(tài)激子都可以以輻射復(fù)合的形式回到基態(tài)，從而使器件的內(nèi)量子效率提高到接近100%然而有機(jī)電致磷光器件也存在一些問題需要克服。（1）室溫條件下的發(fā)磷光的有機(jī)材料很少，（2）由于磷光的壽命一般都很長(zhǎng)（106s量級(jí)），熒光的壽命一般都很短（109s量級(jí)），這樣當(dāng)磷光材料摻入熒光材料母體時(shí)，如果摻入的濃度低，則會(huì)導(dǎo)致在注入的電流很小的時(shí)候，磷光發(fā)射點(diǎn)就已經(jīng)飽和Saturationofemissionsites）（參看3.3.5,器件效率很低；如果

3、摻入的濃度過大，則由于三線態(tài)激子之間的相互作用導(dǎo)致濃度淬滅。即使摻入的磷光材料的濃度經(jīng)過優(yōu)化，在注入的電流增大時(shí)，由于磷光發(fā)射位置的飽和，也會(huì)導(dǎo)致器件的效率隨著注入電流的增大而下降。尋找壽命短的磷光材料是解決上面問題的一種方法，已經(jīng)有了很大的進(jìn)展2。母體和客體都使用磷光材料來制作器件的方法也有人報(bào)道，器件的性能不是很好，還有待于進(jìn)一步研究3。與此同時(shí)，幾乎與有機(jī)電致發(fā)光器件的研究同時(shí)起步的稱之為自旋電子學(xué)（Spintronic）的研究在最近兩三年也取得了突破性的進(jìn)展。眾所周知電子和空穴除了具有電荷的性質(zhì)外，還具有自旋的性質(zhì)。人們已經(jīng)證明自旋極化的載流子（比如上自旋的電子-自旋量子數(shù)為+1/2）

4、能夠從鐵磁金屬或磁性半導(dǎo)體注入到非磁性材料中并能夠保持其自旋方向不變?cè)诜谴判圆牧现袀鬏?，基于此，我們提出通過選擇合適的磁性材料來控制注入到有機(jī)電致發(fā)光器件中的載流子的自旋方向，使在發(fā)光區(qū)只形成單線態(tài)激子，從而使有機(jī)電致熒光器件的內(nèi)量子效率在理論上也能夠突破25%勺限制。舉例來說，如果我們能控制從陽(yáng)極注入的空穴都是下自旋(自旋量子數(shù)為1/2)從陰極注入的電子都是上自旋(自旋量子數(shù)為+1/2),這樣當(dāng)他們?cè)诎l(fā)光區(qū)相遇時(shí)，就只形成單線態(tài)激子而不形成三線態(tài)激子了。4.2自旋電子學(xué)的研究進(jìn)展半導(dǎo)體與磁性物質(zhì)是凝聚態(tài)物理中最重要的兩個(gè)研究領(lǐng)域白從198期Munekatg等人將磁性原子Mn摻入InAs中成功

5、制備出稀磁半導(dǎo)體(dilutedmagneticsemiconductor-)材料In1-xMnAs(x=0.18)之后，不斷地有新的稀磁半導(dǎo)體材料被合成出來，人們利用稀磁半導(dǎo)體材料以及鐵磁金屬(Fe,Co,Ni)及其合金材料來研究載流子的注入及傳輸特性，不斷地有新的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，一個(gè)跨越半導(dǎo)體和磁性物質(zhì)的新的研究領(lǐng)域漸漸形成，這個(gè)新的領(lǐng)域被稱為自旋電子學(xué)(spintronicorspin-electronic)5-7。在自旋電子學(xué)中，電子或空穴的傳導(dǎo)將依其自旋(或磁)特性而有所不同，即所謂的自旋依賴傳導(dǎo)(spin-dependenttransport)。自旋電子器件中的注入及傳輸機(jī)理不再是或不

6、僅是一般半導(dǎo)體器件中借偏壓來控制，而是增加了電子自旋的控制參數(shù)，從這些基本概念衍生出來的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用正方興未艾。1)自旋電子學(xué)相關(guān)的材料研究1.1) 磁性半導(dǎo)體：磁性半導(dǎo)體材料有著半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)，而且品格常數(shù)也與一般的半導(dǎo)體類似，因此在制作自旋電子器件時(shí)，能夠和一般半導(dǎo)體形成良好的界面，產(chǎn)生的品格缺陷比較少，如果形成的缺陷過多，電子自旋通過時(shí)就會(huì)喪失它的自旋記憶,而在傳輸過程中保持自旋記憶正是自旋電子器件成功的重要條件之一。目前磁性半導(dǎo)體的最大挑戰(zhàn)是如何提高其居里溫度。Ohno等人8-9報(bào)道了利用低溫MBE勺技術(shù)在GaAs中摻入超出固溶度限制的Mn使E-V族稀磁半導(dǎo)體做Ga,Mn)As

7、的實(shí)現(xiàn)成為可能。測(cè)試顯示出(Ga,Mn)As在低溫下是鐵磁性的。對(duì)M哈量為5%勺稀磁半導(dǎo)體白居里溫度高達(dá)110K既然能夠在GaAsH底上生長(zhǎng)出(Ga,Mn)As也就能在基于GaAs勺異質(zhì)結(jié)如共振遂穿二極管中引入磁性，從中觀察到與自旋現(xiàn)象有關(guān)的電流電壓特性。其它的在非磁性半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)鐵磁性半導(dǎo)體的的報(bào)道也相當(dāng)多包含了如MnAs/GaAs,(InMn)As,GaFeSbf口(CdMn)T野系統(tǒng)10-13。1.2) 鐵磁薄膜：磁性金屬薄膜在半導(dǎo)體上的生長(zhǎng)與磁性研究是另一個(gè)重要的方向。由于金屬和半導(dǎo)體的界面容易形成化合物，而且此化合物層通常不具有磁性，被成為死層(deadlayer),死層的形成使

8、得鐵磁性金屬在半導(dǎo)體上的運(yùn)用受到了極大的限制。因此對(duì)于鐵磁性金屬膜在半導(dǎo)體上的結(jié)構(gòu)，界面層的研究顯的相當(dāng)重要。1.3) 有機(jī)磁性材料：1962年，W.Anderson,M.McConnell等人分別提出了關(guān)于有機(jī)磁性的理論，并預(yù)言可以合成出有機(jī)磁性材料14,15。1967年KauzoMukai16,17等人首次報(bào)道了有機(jī)磁性化合物galvinoxyl。之后不斷有新的有機(jī)磁性材料被合成出來?然而這些有機(jī)磁性材料的磁性都很弱，并且居里溫度一般都在10K以下。值得一提的是1991年，A.J.Epstein19教授的小組首次報(bào)道了室溫有機(jī)磁性材料V(TCNE)CHCL),其店里溫度高達(dá)約400K,之后

9、又有一些店里溫度高于室溫的有機(jī)磁性材料被合成出菜0,21。2)自旋依賴傳輸(spin-dependenttransport)自旋依賴傳輸是自旋電子學(xué)中最核心的觀念一般在非磁性半導(dǎo)體或金屬中我們并不能區(qū)分具有不同自旋的載流子，即具有不同自旋的載流子在非磁b圖4.1巨磁阻效應(yīng)示意圖性半導(dǎo)體或金屬中的傳輸特性都一樣?？墒窃谠S多特殊的磁性結(jié)構(gòu)中，具有不同自旋的載流子的傳輸特性是不同的。D.H?gele22等人證明了在電場(chǎng)強(qiáng)度為6kV/cm寸，在GaA的自旋電子可以傳輸4仙m的距離而保持其自旋方向不變。4仙m的距離對(duì)于一般的薄層自旋電子器件已經(jīng)足夠目前自旋依賴傳輸被研究的最多并且已經(jīng)發(fā)展到商業(yè)應(yīng)用的一個(gè)

10、現(xiàn)象是巨磁阻效應(yīng)23-26。其原理如下，如圖4.1所示：兩邊為磁性材料中間為非磁性材料，在外加偏壓的作用下，在磁性材料中被極化了的載流子注入到非磁性材料中，并在其中傳輸，當(dāng)兩邊的磁性材料的極化方向相同時(shí)，從陽(yáng)極注入的載流子到達(dá)陰極后，由于極化方向相同，可以不受阻礙進(jìn)入陰極，這時(shí)器件的電阻很小，如圖4.1(a)所示；當(dāng)兩邊的磁性材料的極化方向相反時(shí)，從陽(yáng)極注入的載流子到達(dá)陰極后，由于極化方向相反，而被散射，這時(shí)器件的電阻會(huì)變的很大，如圖4.1(b)所示。利用巨磁阻效應(yīng)制作的磁頭已經(jīng)被舊M公司于1997年應(yīng)用到了電腦的硬盤中，使硬盤的存儲(chǔ)量一下子提高了二十倍以上。3)自旋載流子注入的研究自旋載流子

11、注入是目前一個(gè)極熱門的研究領(lǐng)域，一方面是因?yàn)楸３蛛娮幼孕洃浀臋C(jī)制本身即是一個(gè)物理上相當(dāng)重要的基本問題，在另一方面基于一個(gè)成功的自旋電子系統(tǒng)可以制作出許多新概念的器件。(4.4.(2) 利用鐵磁金屬作為自旋極化層的研究：由于鐵磁金屬的店里溫度一般高于室溫，人們首先想到利用鐵磁金屬作為自旋極化層制作出能夠在室溫條件下工作的自旋電子器件。S.F.Alvarado27等人報(bào)道了利用鐵磁金屬Ni作為掃描隧道顯微鏡的探針，實(shí)現(xiàn)了自旋電子由Ni探針到GaAS勺隧穿注入。P.R.HammOr等人報(bào)道了從Ni0.8Fe).2薄膜到AlGaSb-InAs-AlGaSbfi成的二維電子氣系統(tǒng)的自旋電子注入。H.J

12、.ZhU29等人報(bào)道了從Fe薄膜到GaAS勺自旋電子注入。最初的這些從鐵磁金屬到非磁半導(dǎo)體的自旋注入的報(bào)道，自旋注入效率都很低，不超過2%這可能是由于金屬和半導(dǎo)體的界面形成的死層(deadlayer)導(dǎo)致的。直到最近人們?cè)阼F磁金屬和非磁半導(dǎo)體之間加了一層氧化鋁(Al2Q)制作成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu).32,或是利用界面勢(shì)壘自然形成的隧道注入機(jī)制，自旋注入效率才有了很大的提高，最大達(dá)到了30%不過這個(gè)數(shù)據(jù)是在2K的超低溫條件下測(cè)到的。利用鐵磁金屬作為自旋極化層的研究現(xiàn)在主要是研究如何提高自旋注入效率。(4.4.(2) 利用磁性半導(dǎo)體材料作為自旋極化層的研究:由于磁性半導(dǎo)體材料有著半導(dǎo)體的電子

13、能帶結(jié)構(gòu)，而且品格常數(shù)也與一般的半導(dǎo)體類似，因此在制作自旋電子器件時(shí)，能夠和一般半導(dǎo)體形成良好的界面，產(chǎn)生的品格缺陷比較少。為了克服鐵磁金屬容易和非磁半導(dǎo)體之間容易形成死層的問題，人們自然地想到利用磁性半導(dǎo)體材料作為自旋極化層。M.Oestreich網(wǎng)等人報(bào)道了自旋極化的電子從磁性半導(dǎo)體CdMnTeiJ非磁半導(dǎo)體CdTefi勺注入。Y.OhnO34等人報(bào)道了發(fā)光自旋載流子器件，他們實(shí)現(xiàn)了自旋空穴從稀磁半導(dǎo)體GaMnASU非磁半導(dǎo)體GaAS4入，證明了空穴能夠在GaASM專輸200nmM不丟失其自旋記憶。R.Fiederling組和B.T.Jonker35,36組報(bào)道了分別利用稀磁半導(dǎo)體BeMn

14、ZnSZnMnSe為自旋極化層來制作發(fā)光自旋載流子器件，實(shí)現(xiàn)了自旋電子注入，自旋注入效率分別達(dá)到了90%和50%Z上。利用磁性半導(dǎo)體材料作為自旋極化層的研究需要解決的問題是如何提高稀磁半導(dǎo)體的居里溫度。目前一個(gè)引人注目的結(jié)果是：V.Dediu37等人首次報(bào)道了室溫條件下自旋載流子向有機(jī)材料中的注入。他們制作了LaSrMn3/T6/LaSrMnO吉構(gòu)的器件，LaSrMnO一種稀磁半導(dǎo)體，居里溫度小于370K%是一種有機(jī)半導(dǎo)體，他們觀測(cè)到了30%勺磁阻。證明了自旋載流子在有機(jī)材料T6中可以傳輸200nmW不丟失其自旋記憶。所有這些激動(dòng)人心的成果預(yù)示著一場(chǎng)電子工業(yè)的革命即將發(fā)生。4.3利用控制載流子

15、自旋狀態(tài)來改善有機(jī)電致發(fā)光器件效率的原理基于自旋電子學(xué)的研究進(jìn)展，我們提出如下的實(shí)驗(yàn)設(shè)想：通過選擇合適的磁性材料來控制注入到有機(jī)電致發(fā)光器件中的載流子的自旋方向，使在發(fā)光區(qū)只形成單線態(tài)激子，從而使有機(jī)電致熒光器件的內(nèi)量子效率在理論上能夠突破25%勺限制。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，需要兩層合適的磁性材料(可以是鐵磁金屬、稀磁半導(dǎo)體或是有機(jī)磁性材料)，一層充當(dāng)空穴自旋極化層，另一層充當(dāng)電子自旋極化層。它們可以被插在電極和有機(jī)層之間，或者直接充當(dāng)電極。為了簡(jiǎn)單起見，我們這里討論兩層鐵磁金屬薄膜分別作為器件的陽(yáng)極和陰極的情況。圖4.2是在正常金屬和鐵磁金屬中電子的狀態(tài)密度示意留,圖4.2正常金屬和鐵磁金屬中電

16、子的狀態(tài)密度示意圖。E,電子能量;Ef,費(fèi)米能級(jí);Nt(E),上自旋狀態(tài)密度;Nj(E),下自旋狀態(tài)密度?？梢钥闯?，在正常金屬中，在任意能級(jí)處，上自旋電子的數(shù)目與下自旋電子的數(shù)目相等，我們無法區(qū)分上自旋和下自旋電子。然而在鐵磁金屬中，上自旋電子狀態(tài)密度與下自旋電子狀態(tài)密度在能量上有一個(gè)相對(duì)位移，這就導(dǎo)致在任意能級(jí)處（特殊位置除外），上自旋電子的數(shù)目與下自旋電子的數(shù)目不相等，由于電子的自旋會(huì)產(chǎn)生磁矩，如果在費(fèi)米能級(jí)處某一自旋態(tài)的電子數(shù)目占優(yōu)，在宏觀上鐵磁金屬就會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)應(yīng)于這種自旋態(tài)的磁矩。圖4.2所示的情況中，在費(fèi)米能級(jí)處，在鐵磁金屬中的電子是100崛下自旋極化的,這時(shí)如果改變外加磁場(chǎng)的方向

17、,從而改變鐵磁金屬的磁化方向,在鐵磁金屬中費(fèi)米能級(jí)處的電子就會(huì)變成100崛上自旋極化，也就是說鐵磁金屬內(nèi)部電子的自旋方向可以由外部磁場(chǎng)來控制。圖4.3是在有機(jī)材料層中只形成三線態(tài)激子的示意圖。如果兩邊的鐵磁金屬薄膜是互相平行磁化（例如在費(fèi)米能級(jí)處的電子都是下自旋電子）在外加偏壓的作用下，下自旋的電子會(huì)從充當(dāng)陰極鐵磁金屬膜B注入到有機(jī)層的導(dǎo)帶（LUM跳級(jí)），與此同時(shí)下自旋的電子會(huì)從有機(jī)層的價(jià)帶（HOMO級(jí)）進(jìn)入到充當(dāng)陽(yáng)極的鐵磁金屬膜A中，相當(dāng)于下自旋的空穴從A注入到有機(jī)層的價(jià)帶中。當(dāng)下自旋的電子和空穴相遇時(shí)，就只有三線態(tài)激子產(chǎn)生了。Ferromagneti(OrganicfilmFerromag

18、netic圖4.3在有機(jī)材料層中只形成三線態(tài)激子的示意圖。&導(dǎo)帶；EV,價(jià)帶；Nh（E）,導(dǎo)帶中的上自旋狀態(tài)密度Ncj（E）,導(dǎo)帶中的下自旋狀態(tài)密度NvE）,價(jià)帶中的上自旋狀態(tài)密度N”（E）,價(jià)帶中的下自旋狀態(tài)密度與有機(jī)層中只形成三線態(tài)激子類似，當(dāng)兩邊的鐵磁金屬薄膜是互相反平行磁化時(shí),從陰極B注入到有機(jī)層導(dǎo)帶中的電子與從陽(yáng)極A注入到有機(jī)層價(jià)帶中的空穴的自旋方向相反，當(dāng)它們相遇時(shí)，就只有單線態(tài)激子產(chǎn)生了，如圖4.4所示。單線態(tài)激子輻射復(fù)合發(fā)出熒光，這時(shí)器件的內(nèi)量子效率可以突破25%勺限制。問題的關(guān)鍵在于自旋極化的載流子能夠注入到有機(jī)層中，并且在傳輸過程中能夠保持住它們的自旋記憶。1Ferroma

19、gneticOrganicFerromagneticfilmA(anode)filmfilmB(cathode)圖4.4在有機(jī)材料層中只形成單線態(tài)激子示意圖。巳導(dǎo)帶；EV,價(jià)帶；Nh(E),導(dǎo)帶中的上自旋狀態(tài)密度W(E),導(dǎo)帶中的下自旋狀態(tài)密度Nh(E),價(jià)帶中的上自旋狀態(tài)密度;N(E),價(jià)帶中的下自旋狀態(tài)密度。圖4.5鐵磁薄膜A和B的磁化曲線示意圖圖4.5是鐵磁薄膜A和B的磁化曲線示意圖（假設(shè)A和B的磁滯回線不同），我們可以看出當(dāng)外加磁場(chǎng)工作在區(qū)域a和b時(shí)，鐵磁薄膜A和B的磁化方向相反，在這種情況下，在有機(jī)層中只有單線態(tài)激子產(chǎn)生。有機(jī)電致發(fā)光器件的自旋注入的初步研究所用材料及器件的制備我們選

20、用NPB乍為空穴傳輸材料，Alq作為發(fā)光及電子傳輸材料，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖4.6所示。圖4.6所用材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)HN圖4.7器件結(jié)構(gòu)示意圖。Ni作為陰極（a）Ni作為陽(yáng)極（b）PB我們選用鐵磁金屬鍥Ni作為自旋極化層，分別制作了結(jié)構(gòu)為ITO/NPB(60nm)/Alq(40nm)/Ni(35nm)及半透明陽(yáng)極Ni/NPB(60nm)/Alq(40nm)/LiF(0.5nm)/Al(120nm)的有機(jī)電致發(fā)光器件，它們的結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。制作器件的工藝與第二章類似，鍥層薄膜采用熱蒸發(fā)的方法制作。測(cè)試儀器及方法器件的電流-電壓-亮度特性及電致發(fā)光光譜由計(jì)算機(jī)控制的KeithleySource24

21、00,PR650電流-電壓-亮度及色坐標(biāo)、電致發(fā)光譜測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試。-1/2+1/2HOMO(VB)LUMO(CB)圖4.8具有不同自旋方向的載流子輻射復(fù)合產(chǎn)生圓偏振光示意圖。(7左旋圓偏振光；J右旋圓偏振光。一般情況下，根據(jù)選擇定則及動(dòng)量守恒，自旋極化的載流子的輻射復(fù)合會(huì)導(dǎo)致在表面法線方向左旋或右旋圓偏振光的產(chǎn)生38,如圖4.8所示。因此我們可以通過分析器件發(fā)出的圓偏振光的偏振特性來獲得器件內(nèi)載流子的極化信息。區(qū)分左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的方法如下左旋圓偏振光和右旋圓偏振光可以分別由式(4.4.1)和式(4.4.2)來描述。(4.4.1)E0=AcostEe=Acos(t)Eo=Acost(

22、4.4.2)它們經(jīng)過一個(gè)人/4的波片后，分別由式（4.4.3）和式（4.4.4）來描述(4.4.3)(4.4.4)Eo=AcoscotEe=AcosotEo=Acos0t、Ee=Acosgtn)E和Ee分別表示E沿著人/4波片的。軸和e軸的分量。我們可以看出它們經(jīng)過一個(gè)入/4波片后變成了偏振方向互相垂直的線偏振光，并且與人/4波片的光軸成450角。這樣我們可以使左旋圓偏振光和右旋圓偏振光依次通過一個(gè)人/4波片和一個(gè)檢偏器,通過旋轉(zhuǎn)檢偏器的角度，使其與人/4波片的光軸成450角來區(qū)分開左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。測(cè)試器件發(fā)出的圓偏振光的偏振特性的光路如圖4.9所示。PR650圖4.9測(cè)試圓偏振光

23、的偏振特性光路示意圖。LCP&旋圓偏振光；RCP&旋圓偏振光其中選用人/4波片(入=532nm,是因?yàn)锳lq的峰值波長(zhǎng)在532nm付近。偏振率P的定義為P=(I+-I-)/(I+I-),I+和I-分別是器件所發(fā)出的右旋和左旋圓偏振光在532nmi的強(qiáng)度(由EL譜可以獲得)。測(cè)試中的磁場(chǎng)由核姆霍茲線圈提供，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為160Oa所有測(cè)試均在室溫大氣中進(jìn)行。器件特性01214161820Voltage(v)963m/dcrecnanmUL10圖4.10Ni做陰極的有機(jī)電致發(fā)光器件的亮度電壓特性圖4.10是Ni(35nm做陰極的有機(jī)電致發(fā)光器件的亮座電壓特性，我們可以看出器件的最大亮度不超過9cd

24、/n2,器件的最大效率只有0.002lm/W由于Ni的功函數(shù)4.8eV,Alq的LUMOt級(jí)為2.7eV,電子需要克服2.1eV的勢(shì)壘才能注入到Alq的LUMO能級(jí)，所以Ni不適合做為器件的陰極。由于NPB勺HOMO級(jí)為5.7eV,如果Ni作為器件的陽(yáng)極，則空穴從Ni注入到NPB勺HOMO級(jí)的勢(shì)壘只有0.9eV,從注入勢(shì)壘的角度來說，Ni適合做器件的陽(yáng)極。圖4.11,4.12分別是不同厚度的Ni做透明陽(yáng)極的有機(jī)電致發(fā)光器件的電流電壓特性和亮度-電壓特性。我們可以看出隨著Ni層厚度的增加Ni電極的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，S1012141513二1。=1024圖4.11具有不同厚度的NiP魄酣件的電流電壓特

25、性曲線800400600-200-0-8101214161820Voltage(v)圖4.12具有不同厚度的Ni陽(yáng)極的器件的電流電壓特性曲線然而Ni層厚度的增加會(huì)導(dǎo)致透光率的下降，所以可以通過優(yōu)化Ni層的厚度來提高器件的性能。由圖4.11,4.12可以看出具有15nm厚的Ni電極的器件在相同的電壓下,亮度和效率最大，在12V時(shí)器件的電流、亮度、效率分別為1.53mA121cd/rn、0.15lm/必在15V時(shí)器件達(dá)到最大亮度890cd/n2。下面我們來推導(dǎo)自旋保持長(zhǎng)度lsf的表達(dá)式，我們應(yīng)用Valet-Fert的理論模型39,假設(shè)自旋保持長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于平均自由程，Jn表示載流子電流，D表示擴(kuò)散常數(shù)

26、，P(F)表示費(fèi)米能級(jí)處的狀態(tài)密度，n表示化學(xué)勢(shì)(chemicalpotential),注=仙+qV表示電化學(xué)勢(shì)(electrochemicalpotential),則載流子電流可以表示為:Jn=DP(&F)(qV)DP(與)V(R)=DP(Wf)$(R)(4.4.5)現(xiàn)在我們考慮在材料的任意一點(diǎn)處，由于自旋載流子的積累導(dǎo)致的磁化強(qiáng)度(magnetization)M應(yīng)該固定不變，所以cdM、0Jmdt2M(4.4.6)這里Jm示磁化電流(magnetizationcurrent),Ey表示自旋保持時(shí)間。Jm(Jn-JnJ“表小玻爾磁子，由(4.4.6)可得將(4.4.7)代入(4.4.8)得-

27、寸(Jn2%(n-n)將(4.4.5)代入(4.4.9)得b(-d(f)r一上“)=2%(f)(-)(4.4.10)所以%DfV2(”)=空亙N)(4.4.11)方程(4.4.11)的一維解可以表示為(Be(x/lsf)+Ce(*1f)(4.4.12)常數(shù)B和C可以由材料的邊界條件給出。|sf=oJ2(4.4.13)由D和遷移率仙的關(guān)系D=(kT/e)以可知lsf8J：在半導(dǎo)體材料中一般情況下仙JT3/2,則lsf8T1/4。Magneticfield(Oe)圖4.13為具有15nmB的Ni陽(yáng)極的有機(jī)電致發(fā)光器件所發(fā)出的光的圓偏振率隨外加磁場(chǎng)的變化曲線，器件由恒流源驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流為1.5mA圖

28、4.13為具有15nmS的Ni陽(yáng)極的有機(jī)電致發(fā)光器件所發(fā)出的光的偏振率隨外加磁場(chǎng)的變化曲線，器件由恒流源驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流為1.5mA我們可以看出隨著外加磁場(chǎng)的變化，器件所發(fā)出的光的偏振率沒有明顯的變化。如果從Ni陽(yáng)極注入的空穴是自旋極化的，并且在與電子復(fù)合之前能夠保持住其自旋記憶，則器件所發(fā)出的光的偏振率隨著外加磁場(chǎng)的變化應(yīng)該是類似于磁滯回線的一條曲線。在本實(shí)驗(yàn)中，沒有觀察到器件所發(fā)出的光的偏振率隨著外加磁場(chǎng)的變化類似于磁滯回線的原因可能是由于所選用的有機(jī)材料的遷移率太?。╨sf8p1/2）,導(dǎo)致lsf小于Ni陽(yáng)極到發(fā)光區(qū)的距離。由上面的推導(dǎo)過程我們可以看出改進(jìn)本實(shí)驗(yàn)的方法有：盡量選用具有高遷移

29、率的有機(jī)材料；在低溫條件下進(jìn)行測(cè)試；施加強(qiáng)磁場(chǎng)等。4.5結(jié)論本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處在于：基于自旋電子學(xué)的研究進(jìn)展，我們提出通過選擇合適的磁性材料來控制注入到有機(jī)電致發(fā)光器件中的載流子的自旋方向，使在發(fā)光區(qū)只形成單線態(tài)激子，從而提高有機(jī)電致熒光器件的效率的設(shè)想。我們認(rèn)為如果能控制從陽(yáng)極注入的空穴都是下自旋（自旋量子數(shù)為1/2）從陰極注入的電子都是上自旋（自旋量子數(shù)為+1/2）,這樣當(dāng)他們?cè)诎l(fā)光區(qū)相遇時(shí)，就只形成單線態(tài)激子而不形成三線態(tài)激子了。我們初步研究了有機(jī)電致發(fā)光器件的自旋注入，制作了以鐵磁金屬Ni做電極的有機(jī)電致發(fā)光器件，并測(cè)試了Ni做陽(yáng)極的器件所發(fā)射的光的偏振特性,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)

30、了自旋保持長(zhǎng)度的表達(dá)式，得出自旋保持長(zhǎng)度lsf8/2,從而認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)想，需要選用具有高遷移率的有機(jī)材料；在低溫條件下進(jìn)行測(cè)試；施加強(qiáng)磁場(chǎng)等。參考文獻(xiàn)M.A.Baldo,D.F.OBrien,M.E.Thompson,S.R.Forrest,Excitonicsinglet-tripletratioinasemiconductingorganicthinfilmPhys.Rev.B(1999)60,14422.ChihayaAdachi,MarcA.Baldo,MarkE.Thompson,andStephenR.Forrest,Nearly100%internalphosphores

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