磁性8-羟基喹啉过渡金属配合物基有机小分子光电材料和其异质结构的制备及特性研究

同时具有半导体导电性、光电特性和铁磁性的光电磁多功能及多场调控有机小分子材料具有极诱人的应用潜景。然而目前常用的有机半导体光电材料不具备铁磁性。为了使其具有磁性，最近人们尝试对其进行铁磁金属掺杂，并在钴掺杂Alq3中获得了室温铁磁性。但是由于在使用铁磁金属进行掺杂过程中容易产生铁磁金属团簇，使得其观测到磁性的成因变得不确定。针对这一问题，并结合我们前期3d过渡金属掺杂有机小分子研究中取得的经验，提出利用本身含有不饱和3d或4f电子的8-羟基喹啉过渡金属配合物有机小分子材料，对其进行非磁性元素掺杂，利用掺杂增强局域磁矩间的耦合作用，从而增强材料磁性，并有效避免磁性金属团簇产生。在此基础上，全面研究材料及其异质结的结构、物性及自旋输运特性，为将来制备基于该种材料及结构的实用有机自旋电子器件提供基础。本项目的实施，对于有机磁学、有机自旋电子学、有机光电子学等都具有重要的应用价值及科学意义。

按照研究计划，我们全面研究了8-羟基喹啉过渡金属配合物有机小分子CrQ3、MnQ3、FeQ3、CoQ3、MnQ2、FeQ2、CoQ2、NiQ2、CuQ2、ZnQ2的结构及各项物理性质，制备出了多种8-羟基喹啉过渡金属配合物有机小分子薄膜材料和晶体材料，并对制备的材料进行了系统深入的表征和测试，结合理论计算分析了材料的结构、性质及磁性机理。在此基础之上，摸索了利用真空共蒸发等方法制备非磁元素掺杂有机小分子的制备方法，制备了多种非磁元素掺杂的8-羟基喹啉过渡金属配合物薄膜及其异质结构，并对其进行了结构测试及各项物理性质表征，结合第一性原理计算深入分析了其结构及磁性机理，获得了具有室温铁磁性的非磁元素掺杂8-羟基喹啉配合物有机薄膜。主要包括：1）全面研究了8羟基喹啉过渡金属配合物分子CrQ3、MnQ3、FeQ3、CoQ3、MnQ2、FeQ2、CoQ2、NiQ2、CuQ2、ZnQ2的结构及磁性等物理性质，摸索了其磁性的规律，并分析了其机理；2）实验发现了8羟基喹啉过渡金属配合物如FeQ3、Coq2等低温顺磁性，并结合理论计算解释了其磁性机理； 3）通过向CoQ2分子中掺杂非磁性元素Al，观察到了样品从顺磁性向室温铁磁性的转变；4）制备了多系列金属掺杂有机小分子薄膜材料，利用同步辐射光源EXAFS首次精确测定了金属杂质原子最近邻原子的类型、配位数及键长等数据，并分析了金属掺杂对材料物理性质及自旋输运的影响；5）研究了非磁性元素O对CuQ2分子磁性的影响，发现O元素能与分子形成C-O-H结构，从而增强磁矩间的铁磁耦合作用，导致样品从顺磁性向铁磁性转变；6）研究了非磁金属（如Al、Nb等）掺杂及电荷注入对非磁性8-羟基喹啉分子（如AlQ3、ZnQ2及CoQ3等）自旋极化的影响，发现非磁掺杂及电荷注入可以导致样品从非自旋极化到自旋极化的转变，并分析了其机理。目前本项目已经在Appl. Phys. Lett.、Journal of Applied Physics、Phys. Chem. Chem. Phys.、RSC Advances、Journal of Magnetism and Magnetic Materials、Optics Express等刊物发表SCI论文14篇，申请国家发明专利3项，培养博士3人，硕士5人。