有機(jī)半導(dǎo)體在微電子學(xué)中的應(yīng)用

有機(jī)半導(dǎo)體在微電子學(xué)中的應(yīng)用

1有機(jī)區(qū)域有機(jī)平均動(dòng)力學(xué)電子不僅具有電壓電子的功能，而且還具有以電子為首要的功能。電子管理在20世紀(jì)取得了巨大成功，但在傳統(tǒng)的微電子器中，電子的旋轉(zhuǎn)被忽視。電子只是電子部門的載體。不同數(shù)量的電子和空孔豐富了半材料的傳輸特征。發(fā)現(xiàn)密封閉液位（mr）和隧道磁強(qiáng)（tr）之間的影響，導(dǎo)致了磁存儲(chǔ)和磁記錄領(lǐng)域的革命，并為推動(dòng)電子自旋產(chǎn)生了新的學(xué)科，即scopen。增加互相干擾的自由，豐富了微電子學(xué)研究的內(nèi)容，為建立許多新產(chǎn)品的誕生創(chuàng)造了新的動(dòng)力。自20世紀(jì)90年代以來，傳統(tǒng)的脈沖裝置在計(jì)算機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。將李自成和祖母材料結(jié)合起來，帶來什么樣的新設(shè)備和新的物理現(xiàn)象是科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比,有機(jī)半導(dǎo)體的合成要容易得多.有機(jī)半導(dǎo)體具有豐富的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)特性,并且已經(jīng)在有機(jī)發(fā)光器件OLED(organiclight-emittingdiodes)、顯示器等方面取得了很大的成功.由于自旋-軌道相互作用比較弱,有機(jī)半導(dǎo)體成為自旋輸運(yùn)的最佳候選材料.研究有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)的自旋注入和輸運(yùn)對(duì)進(jìn)一步理解有機(jī)半導(dǎo)體的物理性質(zhì),探討其在自旋電子學(xué)及生命系統(tǒng)中的功能和應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義.本文將對(duì)有機(jī)自旋電子學(xué)作簡(jiǎn)要介紹.具體內(nèi)容包括:有機(jī)高分子材料特別是有機(jī)半導(dǎo)體共軛聚合物材料;自旋電子學(xué)的發(fā)展;有機(jī)半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展.2有機(jī)半導(dǎo)體的磁性材料有機(jī)半導(dǎo)體是具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)功能材料,它在電致發(fā)光器件——有機(jī)發(fā)光二極管OLED中得到廣泛應(yīng)用,如以Alq(8-羥基喹啉鋁)為代表的小分子基OLED和以PPV(聚苯撐乙烯及其衍生物)為代表的共軛高分子基OLED等.OLED技術(shù)具有主動(dòng)發(fā)光、廣視角、高清晰、響應(yīng)快速、潛在的低制造成本、柔性和環(huán)保設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn).尤其是其具備柔性設(shè)計(jì)的神奇特征,使得令人神往的可折疊電視、電腦的制造成為可能.目前有機(jī)發(fā)光器件的發(fā)光效率可達(dá)到15lm/w,最大亮度已經(jīng)超過1×105cd/m2,壽命已超過8萬小時(shí),已經(jīng)應(yīng)用在彩色電視機(jī)、各種背光源、鐘表、裝飾品、移動(dòng)電話等方面.有機(jī)半導(dǎo)體通過摻雜可實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電性,高分子共軛聚合物就是一個(gè)重要例子.20世紀(jì)70年代,Heeger,MacDiarmid和Shirakawa等人發(fā)現(xiàn),通過對(duì)聚乙炔進(jìn)行摻雜,其電導(dǎo)率急劇提高,可增加幾個(gè)甚至十幾個(gè)數(shù)量級(jí).某些聚合物材料如(SN)x,在極低的溫度(Tc=0.15K)下具有超導(dǎo)電性.某些聚合物的電導(dǎo)率接近甚至超過金屬銅,成為有機(jī)良導(dǎo)體.由于這類新材料的獨(dú)特性質(zhì),使其具有廣闊的應(yīng)用前景,因此Hegger與MacDiarmid和Shirakawa共同分享了2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).具有特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)半導(dǎo)體可能具有磁性,如高分子-金屬配合物、分子內(nèi)含氮氧穩(wěn)定自由基團(tuán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物、平面大π鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)物以及電子轉(zhuǎn)移復(fù)合物等.國(guó)際上對(duì)有機(jī)磁性材料的研究始于1986年.過去一般認(rèn)為,有機(jī)半導(dǎo)體是難以具有磁性的,因此本身具有磁性的有機(jī)半導(dǎo)體的出現(xiàn),就是有機(jī)半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破.有機(jī)半導(dǎo)體磁性材料的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)80年代末科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的成果之一.由此可見,有機(jī)半導(dǎo)體的電磁光特性十分豐富,越來越引起人們的重視.有機(jī)半導(dǎo)體以其獨(dú)特性質(zhì)在有機(jī)發(fā)光、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管、塑料電子學(xué)、有機(jī)鐵磁體、有機(jī)自旋電子學(xué)和分子電子學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究.下面以聚乙炔為例說明有機(jī)半導(dǎo)體中導(dǎo)電高分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì).聚乙炔材料是最簡(jiǎn)單的共軛聚合物,它是由乙炔聚合而成,靠彼此耦合的CH基團(tuán)組成準(zhǔn)一維分子鏈.碳原子有4個(gè)SP2雜化的價(jià)電子,其中3個(gè)通過雜化與2個(gè)碳、1個(gè)氫原子在xy面內(nèi)形成σ鍵.120°的鍵間夾角可以組成碳的兩種可能結(jié)構(gòu),即反式聚乙炔(trans-(CH)x)和順式聚乙炔(cis-(CH)x)(如圖1).在這兩種同分異構(gòu)體中,都剩下一個(gè)關(guān)于z軸對(duì)稱的Pz軌道價(jià)電子(π電子),這個(gè)π電子導(dǎo)致了部分占據(jù)的能帶結(jié)構(gòu),它導(dǎo)致了聚乙炔的重要電子性質(zhì).在聚乙炔晶體中,鏈間耦合能為0.1eV,遠(yuǎn)低于鏈內(nèi)相鄰碳原子間的耦合能(2.0—2.5eV),因此聚乙炔可視為準(zhǔn)一維體系,這也是大多數(shù)高分子材料的特點(diǎn).由于鏈間耦合很弱,使得雜質(zhì)很容易在鏈間移動(dòng),因此容易進(jìn)行摻雜.又由于鏈內(nèi)耦合很強(qiáng),雜質(zhì)離子很難取代碳原子而嵌入到分子鏈中,因此只能處于鏈與鏈間隙中,從而摻雜并不影響聚乙炔鏈的完整性.因此聚乙炔的摻雜是可逆的,這與一般半導(dǎo)體的摻雜是不同的.聚乙炔鏈中的等鍵長(zhǎng)結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定,會(huì)發(fā)生所謂的Peierls相變,即形成長(zhǎng)鍵和短鍵交錯(cuò)排列的二聚化結(jié)構(gòu),如圖2所示的雙鍵代表短鍵,單鍵代表長(zhǎng)鍵,它可以理解為CH基團(tuán)左右移動(dòng)的結(jié)果,單鍵長(zhǎng)0.145nm雙鍵長(zhǎng)0.135nm.這樣的結(jié)構(gòu)要比等鍵長(zhǎng)排列有更低的能量.很顯然,根據(jù)對(duì)稱性,反式聚乙炔的單雙鍵交換將不改變系統(tǒng)的能量,即存在兩個(gè)最低的能量態(tài)A相和B相.這兩個(gè)簡(jiǎn)并的基態(tài)導(dǎo)致鍵交錯(cuò)疇壁或孤子的產(chǎn)生,它的存在使得聚乙炔中有許多奇異的性質(zhì).設(shè)想一分子鏈的左端為A相(如圖2中的奇數(shù)原子右移,偶數(shù)原子左移),右端為B相(奇數(shù)原子左移,偶數(shù)原子右移),則兩相相交區(qū)就形成一個(gè)疇壁(domainwall);若左端為B相,右端為A相,則相交區(qū)就形成一個(gè)反疇壁.由于A相和B相的能量相同,激發(fā)的能量都集中在正反疇壁中,因而正反疇壁就是反式聚乙炔中的元激發(fā)——孤子或反孤子.孤子與反孤子相遇后可以束縛在一起,形成一種新的元激發(fā)——極化子.從上面的圖像可以看出,孤子、極化子都是周期晶格結(jié)構(gòu)中形成的局域缺陷,是電子-晶格強(qiáng)耦合的結(jié)果.1979年,Su,Schrieffer和Heeger以此提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的理論模型,即大家熟知的SSH模型,定量地解釋了聚乙炔的基態(tài)以及孤子、極化子等元激發(fā)態(tài).該理論指出,導(dǎo)電高分子中的孤子或極化子具有類似“粒子”的性質(zhì),呈現(xiàn)完好的定域性、穩(wěn)定性和完整性特征.重要的是這些元激發(fā)的電荷-自旋關(guān)系,如表1所列.孤子可以帶電也可以不帶電,極化子可以帶一個(gè)電子電荷(單極化子)也可以帶兩個(gè)電子電荷(雙極化子).中性孤子帶有1/2自旋,而帶電孤子不攜帶自旋;單極化子具有1/2自旋,而雙極化子因束縛2個(gè)電子或空穴,其自旋為零.一般情況下,孤子或單極化子存在于基態(tài)簡(jiǎn)并聚合物中,如反式聚乙炔;單極化子或雙極化子存在于基態(tài)非簡(jiǎn)并聚合物中,如順式聚乙炔、聚噻吩、聚苯胺等.孤子或極化子的這種奇特的電荷-自旋關(guān)系是認(rèn)識(shí)有機(jī)自旋電子學(xué)的關(guān)鍵之一.3制備nd-pcr的旋轉(zhuǎn)軸旋流器在傳統(tǒng)的功能材料中,電子(或空穴)是作為最基本的電荷載體,通過控制電子(或空穴)在材料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)方式,可以產(chǎn)生各種物理效應(yīng),制備出各種不同類型的電子器件.盡管各種特殊材料所依據(jù)物理原理不同,但有一點(diǎn)是相同的,即電子(或空穴)只是作為電荷的載體.著名的莫爾定律預(yù)示著微電子器件在未來幾年將進(jìn)入經(jīng)典尺寸的極限.進(jìn)入納米尺寸以后,量子效應(yīng)將明顯增加,原先適用的經(jīng)典物理學(xué)定律將無法解釋新的現(xiàn)象.電子除了具有電荷外,它還具有自旋.20世紀(jì)90年代,隨著磁性多層膜的研究和發(fā)展,人們開始發(fā)現(xiàn),通過利用和控制傳導(dǎo)電子的自旋,可以產(chǎn)生新的物理效應(yīng),由此,發(fā)展起來一門新興學(xué)科,即研究與自旋相關(guān)的電子輸運(yùn)過程,這就是自旋電子學(xué).電子自旋注入和自旋極化相關(guān)輸運(yùn)是自旋電子學(xué)中的一個(gè)感興趣和被廣泛研究的課題.其中自旋注入包括從鐵磁金屬到超導(dǎo)體、從鐵磁金屬到一般金屬、從鐵磁金屬到非磁性半導(dǎo)體、以及從磁性半導(dǎo)體到非磁性半導(dǎo)體和自旋注入有機(jī)半導(dǎo)體等.自旋注入是發(fā)展自旋電子學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵要求.1990年,Datta和Das首先提出了自旋場(chǎng)效應(yīng)管的概念.兩人建議的自旋場(chǎng)效應(yīng)器件,源極和漏極都是鐵磁材料,磁化方向相同.可將電子注入源極,注入電子的自旋軸會(huì)取與源極和漏極同樣的方向.施加在柵極上的電壓會(huì)改變從源極向漏極移動(dòng)的自旋極化的電子的自旋,從而使其自旋方向發(fā)生反轉(zhuǎn).然而,直到現(xiàn)在,仍然沒有制造出可工作的自旋場(chǎng)效應(yīng)管.三明治結(jié)構(gòu)是研究自旋注入與輸運(yùn)的基本構(gòu)型.非磁性夾層可選用超導(dǎo)體、正常金屬、半導(dǎo)體以及有機(jī)半導(dǎo)體.目前對(duì)各種夾層的器件均有研究報(bào)道.對(duì)于超導(dǎo)材料作夾層,由于超導(dǎo)體內(nèi)的載流子是不攜帶自旋的庫珀對(duì),無法實(shí)現(xiàn)自旋輸運(yùn),這方面的研究側(cè)重于超導(dǎo)體內(nèi)電荷與自旋的分離.金屬中的載流子是擴(kuò)展性很強(qiáng)的電子,攜帶1/2自旋,可以作為自旋輸運(yùn)材料,但由于金屬結(jié)構(gòu)不存在信號(hào)放大功能,其應(yīng)用性受到局限;半導(dǎo)體中的載流子是電子或空穴,均攜帶1/2自旋,而且由于帶隙的存在,半導(dǎo)體材料是實(shí)現(xiàn)自旋輸運(yùn)和信號(hào)放大的最佳材料;有機(jī)半導(dǎo)體又有它的特色,柔性的原子結(jié)構(gòu)使它容易與任何材料形成良好界面,從而降低注入勢(shì)壘,載流子獨(dú)特的電荷-自旋關(guān)系使它區(qū)別于通常的半導(dǎo)體.第四節(jié)我們將專門介紹有機(jī)自旋注入與輸運(yùn).對(duì)“鐵磁/半導(dǎo)體/鐵磁”三明治結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn),自旋注入效率與兩材料的電阻率密切相關(guān),對(duì)于三層結(jié)構(gòu),電流極化率可由公式表示為αSC=j↑-j↓j↑+j↓=βRFΜRSC2(2RFΜ/RSC+1)-β2,(1)αSC=j↑?j↓j↑+j↓=βRFMRSC2(2RFM/RSC+1)?β2,(1)其中js(s=↑,↓)為自旋s的電流,β和RFM分別為鐵磁注入層的自旋極化率和總電阻.半導(dǎo)體夾層電阻為RSC.上式表明,注入電流的自旋極化與兩層材料的電阻之比RFM/RSC密切相關(guān),因此選擇電阻匹配的材料是提高自旋注入的關(guān)鍵之一.很顯然,由于半導(dǎo)體材料電阻很高,通常的鐵磁金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中很難實(shí)現(xiàn)有效的自旋注入.一種解決方案是采用磁性半導(dǎo)體作自旋注入層,如目前廣泛采用的La1-xSrxMnO3磁性半導(dǎo)體本身就是一個(gè)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常復(fù)雜的材料,因此,自旋電子學(xué)的發(fā)展同時(shí)也促進(jìn)了人們對(duì)磁性半導(dǎo)體這一重要材料的研究.磁性半導(dǎo)體可以用外延方法生長(zhǎng)在半導(dǎo)體上,它們的電導(dǎo)率與非磁性半導(dǎo)體相近,會(huì)產(chǎn)生有效的自旋注入.當(dāng)它們被用作自旋注入層時(shí),可以得到大的磁電阻.利用磁性半導(dǎo)體進(jìn)行自旋注入已經(jīng)通過測(cè)量光發(fā)射的偏振而得到確證.4荷-結(jié)構(gòu)關(guān)系與有機(jī)半導(dǎo)體自相關(guān)有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)的載流子可以是孤子、極化子或雙極化子,它們奇異的電荷-自旋關(guān)系暗示著有機(jī)半導(dǎo)體可呈現(xiàn)豐富的自旋相關(guān)性質(zhì).目前有機(jī)自旋電子學(xué)的研究剛剛展開,理論上預(yù)言了一些自旋相關(guān)的新現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)上也得到了一些自旋相關(guān)信號(hào),下面分別簡(jiǎn)述.4.1實(shí)驗(yàn)材料及相關(guān)曲線自旋注入是一種量子行為,溫度的影響是很重要的,雖然在室溫下已經(jīng)有了相關(guān)自旋注入的實(shí)驗(yàn)報(bào)道,但大多數(shù)自旋極化注入現(xiàn)象還是在低溫下無機(jī)材料中觀察到的.2002年,Dediu研究組首次報(bào)道了有機(jī)半導(dǎo)體中的自旋注入和輸運(yùn),2004年,Xiong等人設(shè)計(jì)了第一個(gè)有機(jī)自旋閥,得到了高達(dá)40%的磁電阻.Dediu研究組采用龐磁阻(colossalmagnetoresistance,CMR)材料La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作極化電子給體,有機(jī)半導(dǎo)體層采用齊分子聚合物六噻吩T6(sexithienyl).實(shí)驗(yàn)材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.兩個(gè)LSMO電極之間的寬度在70nm到500nm之間,寬度w為100到150nm的T6薄膜沉積在兩個(gè)LSMO電極之間.在沒有加磁場(chǎng)之前,電極中的自旋取向是隨機(jī)的.加磁場(chǎng)后兩個(gè)電極中的自旋取向趨于平行排列,實(shí)驗(yàn)測(cè)得這兩個(gè)電極之間的接觸面中有很強(qiáng)的負(fù)磁電阻(negativemagnetoresistance,NMR).圖4給出了隧道寬度為140nm和400nm的LSMO/T6/LSMO結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)相關(guān)的I-V特征曲線.其中LSMO的厚度為100nm,T6膜的厚度為150nm.從圖4可以看到,所有的I-V曲線幾乎可以用歐姆定律來描述.負(fù)磁電阻現(xiàn)象表明,有機(jī)半導(dǎo)體層中存在自旋極化注入以及鐵磁電極之間的電荷傳輸是自旋相干的.Xiong等人采用小分子有機(jī)半導(dǎo)體Alq3作為中間層制成了有機(jī)自旋閥.Alq3位于Co和半金屬材料LSMO之間.由于Co和LSMO矯頑場(chǎng)不同,因此可以通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)使得兩鐵磁層磁化方向平行或者反平行排列.實(shí)驗(yàn)中測(cè)得低溫下的磁電阻可以達(dá)到40%.4.2rashba旋轉(zhuǎn)軸生物學(xué)特性目前的實(shí)驗(yàn)研究初步揭示了有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)自旋注入與輸運(yùn),但“有機(jī)”的物理性質(zhì)還沒有清楚地體現(xiàn)出來.有機(jī)半導(dǎo)體的自旋-軌道相互作用弱,因此可有較大的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度優(yōu)點(diǎn),當(dāng)然也就具有信號(hào)不容易探測(cè)的缺點(diǎn),特別是在,有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi),由于電子-晶格相互作用強(qiáng),其載流子不再是通常的電子或空穴,而是前面所描述的一些帶電自陷態(tài),如孤子或極化子等,可用自旋擴(kuò)散理論簡(jiǎn)單描述,但是,它們所具有獨(dú)特的電荷-自旋關(guān)系,在有機(jī)自旋電子學(xué)中可能顯得非常關(guān)鍵.自旋電子學(xué)中涉及一些自旋相關(guān)的相互作用.首先是一對(duì)電子磁偶極子之間的經(jīng)典相互作用,通常在1K強(qiáng)度時(shí),非常弱;其次是自旋與外磁場(chǎng)之間的相互作用,即所謂的Zeeman效應(yīng),通常要在1T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)下才能出現(xiàn)明顯的自旋能級(jí)劈裂;第三是自旋-軌道相互作用,電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)除受到電場(chǎng)E作用力外,它還發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)的,因而其自旋磁矩會(huì)受到一磁場(chǎng)B=(v/c)×E的作用.在重原子情況下,這種自旋-軌道相互作用會(huì)更加明顯.該相互作用導(dǎo)致輸運(yùn)與自旋相關(guān).在二維電子氣的自旋電子學(xué)研究中,它就是著名的Rashba自旋-軌道相互作用,ΗR=?mekSΟ(σ×p)?ez,(2)其中p為電子動(dòng)量,ez為電場(chǎng)方向單位矢量,kSO為外界可控參數(shù).第四種相互作用是泡利不相容原理導(dǎo)致的海森伯相互作用,它是材料鐵磁性的起源;第五種相互作用是電子與核自旋之間的超精細(xì)相互作用,如GaAs,存在晶格核自旋,100%極化下的有效場(chǎng)可達(dá)到幾個(gè)T,作用就會(huì)很明顯.上述5種相互作用的任何一種都可導(dǎo)致自旋的反轉(zhuǎn),根據(jù)需要對(duì)自旋反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制即是自旋電子學(xué)的主要任務(wù)之一.目前對(duì)有機(jī)自旋注入與輸運(yùn)的理論研究包括量子和經(jīng)典兩個(gè)方面:微觀的量子力學(xué)研究可理解鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)以及自旋輸運(yùn)動(dòng)力學(xué);經(jīng)典理論從自旋擴(kuò)散方程出發(fā),借助歐姆定律等,可給出鐵磁/有機(jī)半導(dǎo)體系統(tǒng)的電流自旋極化.4.2.1磁電阻效應(yīng)孫鑫等通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn),一個(gè)帶正電的自旋載子(正電極化子)經(jīng)激發(fā)后,變?yōu)橐粋€(gè)帶負(fù)電的自旋載子(負(fù)電極化子),同時(shí)生成一個(gè)不帶自旋的雙極化子(帶±2e電荷),此過程稱為自旋載子的電荷反轉(zhuǎn),與“電子自旋共振”譜儀(electronspinresonance,ESR)所依據(jù)的“電荷載子的自旋反轉(zhuǎn)”是相互對(duì)偶的物理效應(yīng).根據(jù)自旋載子的電荷反轉(zhuǎn)可設(shè)計(jì)一種自旋注入光閥門(見圖6).2002年,Zwolak等研究了鐵磁/DNA/鐵磁三明治結(jié)構(gòu)的自旋相關(guān)輸運(yùn)行為.通過格林函數(shù)方法計(jì)算磁電阻,發(fā)現(xiàn)用Fe和Ni作為鐵磁層,這種DNA自旋閥在室溫下可以分別實(shí)現(xiàn)16%和26%的磁電阻效應(yīng),如圖7所示.2003年,Xie等研究了CMR/有機(jī)半導(dǎo)體系統(tǒng)的基態(tài)性質(zhì).計(jì)算中取聚乙炔或聚噻吩作為有機(jī)層,CMR鈣鈦礦材料La1-xSrxMnO3作為自旋注入層.采用一維緊束縛哈密頓量來描述系統(tǒng)的界面耦合和電子躍遷過程,這里應(yīng)特別指出的是,模型中包含了有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)固有的強(qiáng)電子-晶格相互作用.這樣一個(gè)模型已被成功地用來描述有機(jī)半導(dǎo)體系統(tǒng).通過調(diào)整兩種材料的相對(duì)化學(xué)勢(shì),電子可以從CMR轉(zhuǎn)移到有機(jī)層.轉(zhuǎn)移到有機(jī)層的電子將形成極化子和雙極化子,如果不考慮自旋相互作用,無自旋的雙極化子將優(yōu)先形成,因此,自旋極化主要出現(xiàn)在界面附近,在有機(jī)層內(nèi)部衰減直至消失.如果計(jì)入自旋相互作用和接觸層的剩余磁場(chǎng)等因素,注入的電子也可以形成帶自旋的極化子,從而形成自旋注入.這只是對(duì)靜態(tài)圖像的一種分析.而電場(chǎng)下載流子的輸運(yùn)實(shí)際上是一個(gè)非平衡的過程.最近我們采用非絕熱動(dòng)力學(xué)的方法,對(duì)電子注入有機(jī)層的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究.發(fā)現(xiàn)電荷的注入是量子的幾率波,該波在有機(jī)層內(nèi)以波包的形式存在,每個(gè)波包內(nèi)所包含的電荷數(shù)可以是0—2e的任意值,即波包的電荷數(shù)可以是分?jǐn)?shù),這是由于有機(jī)層本身是一個(gè)開放系統(tǒng).如果不考慮任何自旋極化和自旋相互作用.那么,波包這個(gè)“準(zhǔn)粒子”雖然帶電,但并不攜帶自旋.特別是當(dāng)波包帶一個(gè)電荷時(shí),雖然晶格缺陷也呈現(xiàn)極化子特征,但這個(gè)波包“極化子”的自旋為零.由于泡利不相容原理的限制,每個(gè)波包所容納的電荷數(shù)不超過2個(gè)電子單位.如果存在自旋極化或自旋相互作用,每個(gè)波包可以攜帶自旋.圖8給出了自旋極化在有機(jī)層的計(jì)算結(jié)果.注入200fs后,波包已經(jīng)形成,在外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下,在有機(jī)層內(nèi)運(yùn)動(dòng),1000fs后,系統(tǒng)仍有明顯的自旋極化.定義自旋極化率:η=∑n∈p│ρn,σ=1-ρn,σ=-1│∑n∈p│ρn,σ=1+ρn,σ=-1│.(3)圖9給出不同偏壓下自旋極化率隨時(shí)間的演化.起初自旋極化率最大,而后衰減.同時(shí),提高金屬電極的偏壓,便會(huì)有更多的電荷注入.4.2.2極化子對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體的影響對(duì)自旋注入半導(dǎo)體,經(jīng)典理論研究最著名的就是“二流體”模型.當(dāng)自旋散射長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于電子散射長(zhǎng)度時(shí),可以認(rèn)為自旋向上電子和自旋向下電子在系統(tǒng)內(nèi)是獨(dú)立傳播的.當(dāng)傳導(dǎo)電子的自旋方向與鐵磁層少數(shù)自旋子的自旋方向平行時(shí),受到的散射就強(qiáng),電阻就大;而當(dāng)傳導(dǎo)電子的自旋方向與鐵磁層多數(shù)自旋子的自旋方向平行時(shí),受到的散射就弱,電阻就小.于是可以給出以下簡(jiǎn)單的電路模型.有機(jī)半導(dǎo)體作傳輸層時(shí),注入的電子將形成一些電荷自陷態(tài),如基態(tài)非簡(jiǎn)并聚合物中的極化子和雙極化子,此時(shí)的傳輸層將有3個(gè)載流子通道:自旋向上極化子,自旋向下極化子和不帶自旋的雙極化子.整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖11所示.從自旋擴(kuò)散方程和歐姆定律以及相應(yīng)的邊界條件出發(fā),可以得到界面處的電流自旋極化率:α0=γ?β0?λFΜσFΜ?σλp?1+14β0?σFΜλFΜ?(1G↓-1G↑)?(1-β20)(γ?λFΜσFΜ?σλp+1)-β20+γ4?σλp?(1G↓+1G↑)?(1-β20).(4)一組參數(shù)下的數(shù)值結(jié)果如圖12所示.其中γ=np/(np+nbp)為極化子占有機(jī)半導(dǎo)體層內(nèi)載流子的比率.很明顯,γ=0時(shí),電流自旋極化率為0,此時(shí)有機(jī)半導(dǎo)體中載流子全部是不帶自旋的雙極化子.電流極化率最大值出現(xiàn)在γ=1處,此時(shí)載流子全部為帶自旋的單極化子,與自