有机半导体器件的场调控自旋新现象及其机理研究

Organic spin current and organic multiferroics are new phenomena found in organic spintronic area. All these new phenomena are tightly related with the spin interactions and field response in organic semiconductors or devices, for which the real mechanism is still not clear. In this proposal, Using our drift-diffusion theory，master equation hopping theory and quantum non-equilibrium dynamic theory, we will take investigation on some basic questions behind these spin new phenomena,such as organic spin pumping transport and organic excited ferromagnetism. Firstly, we analyze the spin-charge relationship, organic/organic and organic/inorganic interface coupling, and spin-spin interaction, design suitable organic structure. By studying spin excited states, we try to find the condition for the appearance of excited ferromagnetism, and then we calculate spin dynamics and spin current. With investigation on electric field, magnetic field and optical field manipulation, we try to reveal the deep mechanism in organic spin effect. We will give some proposals for new organic spin devices or improvement of organic spin effect. This work will be much helpful and instructive for design of field controlled organic devices as well as fundamental understanding of organic spintronics.

有机自旋流和有机多铁是最近发现的有机自旋电子学新现象。这些新现象都与有机半导体（器件）内的自旋相互作用和外场响应密切相关，真正的物理机理尚不清楚。本申请书将运用我们已掌握的扩散-漂移理论，主方程跃迁理论和量子非平衡动力学理论等手段，针对有机自旋泵浦输运和激发铁磁性最新实验结果，就其中的若干问题展开机理性研究。首先分析有机材料内载流子的电荷-自旋关系、有机-有机和有机-无机电极自旋相关界面耦合，分析自旋-相互作用，设计合适的有机结构模型，研究有机异质结内的自旋激发态，寻找出现有机激发铁磁性的条件；通过界面耦合和有机层内的自旋耦合，计算自旋动力学和自旋流。通过电场、磁场和光场等调控下的一系列计算研究，揭示有机自旋效应的深层次物理机理，提出改善有机半导体和器件自旋效应的优化结构设计。该项研究对于外场调制有机光电器件的应用与开发具有重要的指导意义。

有机半导体包括小分子和高分子聚合物，具有重要的电磁光功能特性，在通讯、显示技术、激光、太阳能、磁储存和输运等领域具有广阔应用前景。本项目对有机自旋电子学近年来出现的一些新现象展开基础理论研究，一方面解释了一些实验数据，另一方面预言了一些新现象。（1）通过模型与第一性原理计算结果对比，分析了载流子自旋极化现象，指出电-声耦合是载流子出现自旋极化的前提条件。通过研究高能载流子的自旋极化，给出了磁电阻与偏压的依赖关系，理论计算取得与实验很一致的结果；（2）构造了nw-P3HT/C60类有机复合物模型，指出电荷转移打破了单体分子的闭壳层结构。由于P3HT和C60的电荷转移态具有不同的自旋极化，导致复合物P3HT/C60将出现净磁矩。基于我们建立的模型，理论计算给出了预期结果，与光增强磁性的实验数据符合的很好；（3）有机半导体中输运相干性问题是非常棘手的。我们建议了两种相干破缺，一是超精细场引起的转移积分修正，二是动力学过程中电子波函数位相修正。研究发现相干性会影响极化子的局域性，进而妨碍电子输运；（4）首次研究自旋-轨道耦合对有机半导体内单三态激子的调控，指出了有机发光器件（OLED）和有机光伏（OSC）效率与自旋-轨道耦合的密切关系。自旋-轨道耦合可将OLED中的单态产率由等几率统计的25%提升到30%，给出了增强OLED发光效率的自旋调控新机制；（5）提出热驱动激子解离新图像，通过建立模型，研究了有机光伏中的热效应，指出非均匀温度可驱动激子运动，同时辅助激子解离，证实了我们的推论；（6）通过研究热延迟荧光（TADF）分子中的单三态能量劈裂和辐射衰减，给出了优化D-A桥长的方案，为有效TADF分子设计提供了理论指导。