有机器件自旋扩散漂移性质理论研究与器件设计

自旋电子学和自旋电子器件是目前凝聚态物理和半导体器件和材料领域非常热的研究课题，其目的是利用电子的自旋而不是传统的电荷和电流来实现器件的功能。有机自旋电子学是自旋电子学在有机材料和器件中的应用。2002年V.Dediu研究组首次报道了从CMR材料到有机T6的自旋注入实验研究，我们随之提出了铁磁/有机系统的自旋扩散模型，初步研究了其电流自旋极化相关性质，引起物理和化学工作者的关注。本项目拟在前期研究基础上更加深入地研究有机器件自旋扩散漂移性质,在此基础上设计新型有机自旋器件。研究内容包括极化子和双极化子的比率变化对有机器件自旋扩散漂移性质的影响；铁磁/有机系统特殊界面效应下的自旋注入性质分析；有机自旋器件磁电阻特性及温度效应；利用有机材料特殊的载流子电荷自旋关系设计有机自旋三极管等。这些工作将有助于进一步认识有机材料的新功能性质，对将来制备有机自旋器件提供理论支持。

有机自旋电子学是自旋电子学在有机材料和器件中的应用，是物理、化学、生物学等的交叉学科，是当前自旋电子学研究的热点之一。研究有机半导体的自旋注入和输运对进一步理解有机材料的物理性质，探讨其在自旋电子学及生命系统中的功能和应用具有重要的指导意义。有机半导体最重要的物理特性主要有两点，一是具有弱的自旋-轨道相互作用和弱的超精细相互作用，因此有更长的自旋弛豫时间和较大的自旋扩散长度，有利于自旋注入；二是具有强的电子-晶格相互作用，注入其内的电荷引起晶格畸变，因此其内载流子为一些具有特殊的电荷-自旋关系的带电自陷态，如带自旋的极化子、不带自旋的双极化子等。本项目从自旋扩散漂移方程和微分形式欧姆定律出发，研究了有机半导体特殊性质对铁磁/有机半导体异质结构及铁磁/有机半导体/铁磁三明治结构自旋注入及输运性质的影响，同时讨论了有机自旋阀器件的磁电阻性质，并根据有机半导体的特殊性质设计了具有自旋极化放大功能的器件模型并讨论了影响器件自旋极化放大率的因素。假设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两种，研究了自旋相关界面电阻及肖特基势垒对铁磁/有机半导体结构自旋极化性质的影响，发现通过调节界面电阻及相应的肖特基势垒高度及其自旋相关性可在有机半导体中获得大的电流自旋极化率。在以上研究基础上进一步研究了外加电场和磁场下铁磁/有机半导体异质结构及铁磁/有机半导体/铁磁三明治结构有机器件电流自旋极化注入及输运性质，讨论了影响以上有机器件电流自旋极化及磁电阻性质的因素，发现通过适当调整器件外加电场和磁场可在器件中获得比较大的电流自旋极化率及磁电阻。考虑到有机半导体中特殊的载流子，从自旋扩散漂移方程出发建立了T型的有机自旋器件，发现由于有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系可以在此T型有机自旋器件中获得电流自旋极化放大效应。通过本项目发展了自旋注入有机半导体的扩散理论，编写了相应程序，建立了一套完整的有机自旋扩散漂移理论，讨论了影响有机自旋器件磁电阻的因素，并在此基础上设计新型有机自旋器件，可为构造未来的有机自旋电子器件以及真正实现有机器件的可操作性提供一定的理论支持，丰富人们对有机自旋电子学的认识，对有机自旋电子器件的可能应用提供理论指导。