收藏本站
收藏 | 论文排版

有机自旋小分子半导体材料与器件制备及特性研究

林亮  
【摘要】:自旋电子学是现代凝聚态物理学极具研究潜力的领域之一。与传统的电子学不同,自旋电子学将电子的自旋特性和电荷特性相结合,其核心内容是研究自旋极化电子的注入、输运、探测及调控,其目的是将器件的电特性、光特性和磁特性等组合在一起,实现新型的自旋电子器件。自旋电子学是电子学的重大发展,不仅导致了高密度存储器的出现,而且还导致了一些基础性的物理革命,如自旋流、自旋压、自旋霍尔效应等新物理概念或现象的出现。自旋电子学器件包括铁磁金属或磁性半导体与绝缘体、超导体、导体、半导体等构型的复合。目前研究发现,注入电流的自旋极化与注入层和传输层的电阻之比密切相关,而电阻不匹配正是传统材料难以实现高自旋注入效率的主要原因所在。 为了与当今的微电子技术相结合,人们对半导体中的自旋现象进行了广泛的研究,但是传统无机半导体大多数是非磁性物质不含磁性粒子,并且晶格结构与磁性材料不同。与传统无机半导体相比,有机半导体具有自旋一轨道相互作用和超精细相互作用较弱、自旋扩散长度较长的优点,并且由于其自身“软物质”的特点晶格匹配问题较小,所以有机半导体有潜力成为自旋阀中自旋注入和输运的良好材料。就自旋注入有机半导体来讲,采用有机铁磁半导体作为自旋注入的电极被认为是解决晶格匹配和电导匹配问题的最佳方法之一。因此,有机磁性半导体材料的研究成为了新的研究热点,这必将促进全有机的自旋阀器件发展,从而开辟自旋电子学新的篇章。 有机小分子半导体材料种类繁多、重量轻,具有丰富的结构和物理特性,其制备工艺简单、可塑性强,可以通过官能团修饰、杂化、掺杂等多种方法调控性能。有机小分子半导体材料在有机自旋电子器件中多被用来作为中间传输层,也被用作为制备有机磁性半导体材料而进行过渡金属掺杂的基体材料。 2002年,Dediu研究组首次报道了有机材料中的自旋注入和输运,他们采用半金属La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3(LSMO)作为极化电子的注入层,中间传输层为有机半导体材料sexithenyl(T6),发现了负磁电阻效应,表明有机层内存在自旋注入,两电极间存在自旋极化的电流。2004年,Xiong等人首次成功制备LSMO/Alq_3/Co有机自旋阀器件,低温下测得约40%的负磁电阻效应;Majumdar等人采用LSMO作自旋极化电极,研究了LSMO/polymer/Co结构中的自旋极化注入现象;Yoo等人采用有机磁体V(TCNE)x作为自旋极化电极,研究了V(TCNE)x/rubrene/LAO/LSMO结构的自旋阀,观察到了磁电阻现象,向全有机自旋器件的实现迈出了重要一步。 最近,在过渡金属掺杂的Alq_3中发现了室温铁磁性。Co掺杂的Alq_3是通过对纯的Co金属和Alq_3粉末进行热共蒸发来合成的。在5%的Co(原子比Co/Al=0.5)掺杂的Alq_3中发现了明显的铁磁现象,其磁矩大约为0.33μB/Co。在过渡金属掺杂的8-羟基喹啉铝(Alq_3)中发现的室温铁磁性开启了有机自旋小分子半导体材料研究的大门。 虽然经过多年研究,研究人员对有机自旋小分子半导体材料和器件的理解逐渐加深。但还有很多问题亟待解决,例如,失效层问题,室温磁电阻效应,过渡金属掺杂有机小分子的结构等。因此,本论文针对有机自旋小分子半导体材料与器件制备及特性研究,主要研究内容和结论如下: 1. LSMO/Alq_3/Co有机自旋阀中的正磁电阻研究 首先我们采用热蒸发法制备了LSMO/Alq_3/Co结构自旋阀,在低温100 K时观察到正12%的磁电阻效应。出现的正磁阻效应是指低阻态出现在两个铁磁电极磁化方向平行时,高阻态出现在两个铁磁电极磁化方向反平行时。在LSMO/Alq_3/Co结构的有机自旋阀中观察到的正负磁电阻效应来源于对应Co的不同电子自旋态分布,这个自旋态分布与有机层厚度、有机/Co界面、Co晶格结构和杂质等因素相关。 2.有机自旋阀的失效层研究 采用原子力显微镜和卢瑟福背散射方法研究了有机自旋阀的起因。原子力显微镜的研究结果表明LSMO薄膜的突起和Alq_3薄膜中自生长的针孔是导致器件短路的主要原因。我们还发现LSMO薄膜的表面起伏对随后生长的薄膜、LSMO/Alq_3界面和Alq_3/Co的界面有很大影响。此外,还发现厚度为1-4 nm的Alq_3薄膜是可以作为有机隧道自旋阀的势垒层,前提是小的工作区域和绝缘层的加入。卢瑟福背散射的研究结果表明顶铁磁电极Co只注入距离有机层表面约20 nm的深度。 3. LSMO/Alq_3-Co/Co有机自旋电子器件中自旋输运研究 在LSMO/Alq_3-Co/Co有机自旋电子器件中,我们发现磁阻随着温度变化发生信号反转。大小约为10%的负磁电阻在10K低温下被观察到。随着温度升高,磁电阻经历符号改变。在室温,一个正9.7%磁阻被观察到,这个正磁阻随着外磁场单调变化。而在没有铁磁电极的Alq_3-Co的复合物中只观察到约0.1%的室温磁阻。室温磁阻的增强是因为有自旋极化的载流子注入到Alq_3-Co的纳米复合层中。 4.Co掺杂Alq_3薄膜的结构研究 采用同步辐射表面掠入射X射线超精细结构(GIXAFS)和傅里叶红外吸收谱(FTIR)方法研究了过渡金属Co掺杂Alq_3薄膜的结构特性。掠入射X射线超精细结构研究表明存在多价态Co-Alq_3复合物,并且掺杂的Co原子倾向于定位在N和O原子中心位置,并与N和O原子成键。傅里叶红外吸收谱研究表明掺杂的Co原子和neridianal型Alq_3相互反应,而不是形成无机化合物。 5.8-羟基喹啉铁(Feq_3)的磁性和光学性质研究 采用实验和理论方法研究了Feq_3的结构、磁学特性和光致发光特性。与没有磁性并发黄绿光的Alq_3薄膜相比,Feq_3薄膜在5 K的低温下显示顺磁行为,室温发射波长为392 nm的紫光。第一性原理计算表明Feq_3分子的自旋态密度在费米能级处多数自旋和少数自旋发生劈裂。Feq_3的总磁距约为1μB,主要来源于Fe的3d局域态,另有一小部分来源于Fe原子周围的非金属原子(C、N和O)。铁磁态和反铁磁态的能量差非常小约为1-2 meV,这与实验上观察到的顺磁行为相对应。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张文俊;;微波器件的最佳半导体材料[J];微纳电子技术;1972年04期
2 ;·百花苑·[J];国外测井技术;2003年02期
3 ;国内要闻[J];电子工业专用设备;2005年04期
4 崔晓英;;SiC半导体材料和工艺的发展状况[J];电子产品可靠性与环境试验;2007年04期
5 张英杰;邓爱红;幸浩洋;龙娟娟;喻菁;于鑫翔;程祥;;正电子深能级瞬态谱在Ga As缺陷研究中的应用[J];四川大学学报(自然科学版);2008年03期
6 达小丽;沈光地;刘建平;牛南辉;朱彦旭;梁庭;邹德恕;郭霞;;等离子体处理对GaN发光二极管性能影响[J];北京工业大学学报;2008年07期
7 阮剛;;半导体固体电路介绍[J];物理;1962年03期
8 林兰英;;半导体材料发展的现况和趋势[J];物理;1966年01期
9 谢祥寿;陆梓康;;上海半导体材料发展概况——为Semicon/Shanghai展览会而作[J];上海有色金属;1988年03期
10 林秀华;彭万华;;亚洲“四小龙”半导体光电技术及其产业的发展[J];半导体光电;1993年03期
11 彭必先,钱海生,岳军,陈丽娟,王崇臣,张丽娟;氮化镓基材料的合成研究进展[J];中国科学院研究生院学报;2005年05期
12 马春;世界半导体硅材料发展现状[J];上海有色金属;2005年03期
13 ;半导体技术[J];中国无线电电子学文摘;2006年04期
14 陆向阳;;半导体材料技术动向及挑战[J];电子产品世界;2007年02期
15 齐成;;无机半导体太阳能电池的网印技术要领[J];印制电路信息;2008年11期
16 孙振书;;核子辐射对半导体的影响和一些实际问题[J];科学通报;1960年18期
17 张桂成;;半导体材料与敏感元件[J];上海有色金属;1988年01期
18 徐绍言;;用四探针方法测量不同温度下半导体材料的电导率[J];物理实验;1988年06期
19 钟俊辉;电子材料的发展[J];材料导报;1992年03期
20 杨爱华,陈连春,范希武;用于Ⅱ——Ⅵ族半导体材料光学双稳特性测试装置[J];光电子.激光;1993年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 孙庆丰;谢心澄;郭鸿;王健;;自旋轨道耦合和自旋流[A];量子电荷和自旋输运研讨会论文集[C];2005年
2 王靖;刘仁保;朱邦芬;;自旋流的法拉第旋转测量[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年
3 胡睿;张华明;王关全;熊晓玲;杨玉青;魏洪源;;一种用于曲面核电池的镍膜制备工艺初探[A];第十届中国核靶技术学术交流会摘要集[C];2009年
4 陈接胜;;微孔晶体SAPO-44对Se及HgI_2半导体粒子的组装[A];材料科学与工程技术——中国科协第三届青年学术年会论文集[C];1998年
5 罗妙宣;王华;夏华丽;;LED显示技术及其发展趋势[A];2005年中国科协学术年会论文集第8分会场光固化与数字成像技术及其应用论文集[C];2005年
6 禹烨;牛燕雄;张鹏;刘杰;;强激光辐照半导体材料的热冲击效应研究[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
7 张敏;班士良;;压力下应变异质结中施主杂质态的Stark效应[A];第11届全国发光学学术会议论文摘要集[C];2007年
8 李剑锋;孙涛;;半导体生产对石英制品的要求[A];第四届高新技术用硅质材料及石英制品技术与市场研讨会论文集[C];2006年
9 邵云东;王柱;;用正电子湮没技术研究半导体材料GaSb的微结构[A];第九届全国正电子谱学会议论文集[C];2005年
10 张小章;邓宁;周明胜;;同位素纯硅半导体器件研制及性能测试[A];中国科协2005年学术年会论文集——核科技、核应用、核经济论坛[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 林亮;有机自旋小分子半导体材料与器件制备及特性研究[D];山东大学;2011年
2 董宪峰;有机磁电阻的理论研究[D];山东大学;2012年
3 姚尧;一维关联体系与有机器件中几个实时演化问题的研究:从经典到量子[D];复旦大学;2009年
4 刘勤;时间反演不变性拓扑绝缘体中杂质效应的相关研究[D];复旦大学;2009年
5 全志勇;Co与ZnO半导体等复合膜磁电阻效应及自旋注入的研究[D];山西师范大学;2012年
6 孔晋芳;氧化锌基半导体材料的拉曼光谱研究[D];上海交通大学;2009年
7 俞琳;非磁性离子掺杂宽带隙半导体磁性的第一性原理研究[D];山东大学;2010年
8 王靖;半导体中与自旋相关的新奇量子现象[D];清华大学;2011年
9 马骁;层状钙钛矿型锰氧化物的磁性和电性[D];中国科学院研究生院(物理研究所);2005年
10 王瑞;简单介观体系中的量子输运[D];山西大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵晓芳;基于自旋和类自旋自由度的纳米器件设计[D];大连理工大学;2010年
2 段亚南;自旋偏压驱动的量子输运特性研究[D];山西大学;2010年
3 杨琳;铁磁石墨烯结中应力可调的自旋输运[D];大连理工大学;2011年
4 王寒猛;非均匀半导体的磁输运调控和优化[D];苏州大学;2012年
5 张伟;含时外场作用下量子点序列的自旋极化输运[D];河北科技大学;2012年
6 张天佑;有机磁电阻效应的微观机理研究[D];山东建筑大学;2012年
7 汪汝武;RMn_6Ge_6稀土锰基化合物的结构、磁性和磁电阻效应[D];武汉科技大学;2004年
8 刘薇;Co/ZnO薄膜的磁性和磁电阻效应研究[D];山西师范大学;2012年
9 孙晓林;稀土锰氧化物的磁阻抗和复合软磁材料的研究[D];山东大学;2012年
10 朱芳;有机功能半导体材料的设计合成与性能研究[D];大连理工大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 上海新阳半导体材料股份有限公司总工程师 孙江燕;半导体材料本地化需求趋增[N];中国电子报;2010年
2 常丽君;辉钼有望代替硅成为新一代半导体材料[N];科技日报;2011年
3 记者 李锐;上海新阳欲做世界一流半导体材料供应商[N];上海证券报;2011年
4 ;东汽峨半:勇做中国半导体材料行业的领跑者[N];中国有色金属报;2008年
5 ;中外科学家共同发现两种新型半导体材料[N];人民邮电;2002年
6 ;新政策对半导体材料业有积极作用[N];中国电子报;2009年
7 本报记者 三木;半导体材料寻求行业突破[N];中国高新技术产业导报;2003年
8 记者任建民;科学家发现新一代半导体材料[N];人民日报;2002年
9 京新;科学家发现新一代半导体材料[N];中国有色金属报;2002年
10 CCID微电子研究所;日益丰富的半导体材料[N];中国电子报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978