8-羟基喹啉基全有机自旋电子器件的制备及特性研究

Since the giant magnetoresistance effect existed in organic spintronic device was reported in 2004，organic semiconductor materials have attracted more and more attention because of their small spin-orbit coupling and weak hyperfine interaction. Many types of spintronic devices using organic semiconductor as spin transport layer have been reported. But the conductance mismatches between the organic semiconductor and the inorganic electrode affect the efficiency of spin injection. In this project, we will prepare “8-hydroxyquinoline-based magnet/8-hydroxyquinoline-based semiconductor/8-hydroxyquinoline-based magnet" using 8-hydroxyquinoline-based organic magnet instead of inorganic ferromagnetic electrodes in traditional spintronic devices . Also we will improve the crystallinity degree of the spin transport layer semiconductor by annealing treatment to reduce the adverse effect of defects and impurities. Based on experimental and theoretical analysis, we will study the injection and transport process of spin polarized charge carrier, and find the methods of improving theefficiency of spin injection and the spin diffusion length. Then we can find out the mechanism of spin transport in 8-hydroxyquinoline-based small molecule materials. This can provide basis for preparing spintronic devices with large magnetoresistor。

2004年有机自旋电子器件存在的巨磁电阻效应被报道之后，有机半导体材料因其弱的自旋轨道耦合和弱的超精细相互作用在半导体自旋电子学领域吸引了越来越多的关注。多种利用有机半导体作为自旋输运层的自旋电子器件相继被报道。然而，无机铁磁电极和有机输运层之间的电导率不匹配问题极大降低了自旋注入效率。本项目利用八羟基喹啉基有机磁体取代传统自旋电子器件的无机铁磁电极，制备“八羟基喹啉基磁体/八羟基喹啉基小分子/八羟基喹啉基磁体”结构的全有机自旋电子器件，同时，利用退火处理提高自旋输运层的结晶度，降低缺陷、杂质等对载流子自旋输运的影响。结合实验数据与理论模拟，研究此类器件中自旋极化载流子的注入和输运过程，探索提高自旋注入效率和自旋扩散长度的方法，力求揭示八羟基喹啉类小分子材料中载流子的自旋输运机理，从而为研制高磁电阻的有机自旋电子器件提供基础。

有机自旋电子器件中，有机输运层和金属铁磁电机之间存在的电导率不匹配和金属向有机层扩散的问题，影响自旋极化载流子的输运。采用有机磁体作为铁磁电极可以有效的解决这两个问题。本项目的研究中，一方面对八羟基喹啉金属配合物有机小分子材料进行非铁磁元素掺杂，制备了有机磁体，并利用第一性原理和实验相结合的方式，研究所制备的有机磁体的磁性来源，研究掺杂导致的电子结构的改变对材料铁磁性的影响，探究实现稳定宏观铁磁性的方法。另一方面，提高有机输运层的结晶度，也是影响自旋极化载流子输运的关键因素，为此本项目的另一个研究内容是利用双温区管式炉采用物理气相沉积的方法制备了八羟基喹啉锰有机小分子晶体。通过对其形貌及结构表征，证实了其较高的结晶度，并且磁性测试结果显示，八羟基喹啉锰晶体在室温和低温条件下都表现出顺磁性。本项目的另一个内容是利用八羟基喹啉基有机磁体取代传统自旋电子器件的无机铁磁电极，制备了多种“八羟基喹啉基磁体/八羟基喹啉基小分子/八羟基喹啉基磁体”的全有机电子器件，但在所制备的电子器件中，未能观测到磁电阻效应，且整个器件的电阻值很大，其原因可能是器件中的两个磁电极层和中间输运层均为有机半导体材料，电阻率很大，阻碍了载流子的输运。此外，在本项目实施过程中，我们利用分布布拉格反射镜有效提高了有机小分子双光子荧光材料和有机无机杂化钙钛矿材料的发光效率。本项目的实施为有机自旋电子学提供了新型室温有机磁体，提供了提高中间输运层结晶度的方法，提供了提高某些有机半导体材料发光效率的方法，从而为研制高磁阻的有机自旋电子器件提供基础。本项目组发表SCI收录论文4篇，培养3名硕士研究生。