有机小分子半导体材料与器件的本征自旋输运问题

The organic semiconductors in the previously reported organic spintronic devices are mostly amorphous materials. The spin diffusion length is not long enough to distinguish spin-dependent transport from spin-dependent tunnelling. Hence, there are big arguments on the mechanism of the magnetoresistance observed in organic spintronic devices. The aim of this project is to reveal the intrinsic mechanism of spin-dependent transport in organic materials and devices. We will prepare high quality single crystal organic materials and spin valves. Then, the spin dependent transport processes in these materials and devices will be studied. Great attention will be paied to the effect of electron traps, defects and crystal boundaries on the spin dependent transport properties. The investigation of intrinsic spin dependent transport in single crystal organic spin valves will enhance the understanding of the mechanism of magnetoresistance observed in organic spin valves. Moreover, this is also a possibility that longer spin diffusion length maybe achieved in single crystal organic semiconductors, which is extremely important for spin valves, spin organic light-emitting diodes and spin organic field effect transistors. In summary, the application of this project will be helpful not only for the understanding of intrinsic mechanism of spin dependent transport in organic semiconductors, but also for the development of novel organic spintronic and spin optoelectronic devices.

目前所报道的有机半导体自旋器件中，其有机半导体均为非晶长程无序材料，由于其自旋扩散长度不长，观察到的磁电阻现象背后的物理机制存在巨大争议，难以区分自旋极化隧穿与自旋极化输运。本项目通过制备高质量有机半导体单晶及其自旋阀器件，深入研究其自旋相关输运过程，重点关注电子陷阱、缺陷、晶界等外部因素对电子自旋输运的影响，结合实验观察与机理分析，力求揭示材料的本征自旋输运机理，理清目前对有机自旋器件中自旋输运机制存在的困惑。并且，通过研究单晶有机半导体中的自旋输运，探究提高其自旋扩散长度的可能性，从而为研制高性能有机自旋阀器件、有机自旋发光二极管器件、有机自旋场效应晶体管器件等提供基础。本项目的实施，对于促进有机自旋电子学及有机自旋光电子学早日走向实际应用具有重要的应用价值及科学意义。

有机小分子半导体材料在有机发光器件、有机场效应晶体管、有机太阳能器件、有机自旋器件等领域具有广阔的应用前景。针对非晶有机薄膜缺陷多，迁移率低，自旋扩散长度短等问题，本项目通过多种方法制备了有机半导体晶体材料，全面研究了其生长机理及各项物理性质，实验及理论研究了有机小分子半导体的自旋极化及磁性机理，在此基础之上，制作了多种基于有机小分子半导体的自旋器件，研究了其在磁场下的自旋相关输运性质。主要包括：（1）利用物理气相淀积法制备了层状ɛ相Alq3晶体、(Znq2)4晶体及其它有机小分子半导体晶体，研究了其晶体生长机理及各项物理性质；（2）利用溶液自组装法制备了颗粒状、棒状、管状等多种结构的有机小分子晶体材料，测试了其物理性质，分析了其生长机理；（3）实验与理论相结合，研究了金属原子与有机小分子结合前后的自旋极化性质，并研究了自旋极化的变化对分子宏观磁相互作用的影响；（4）制作了垂直结构有机自旋阀器件及有机自旋发光器件，深入研究了器件在磁场下的自旋输运性质及其它磁场效应，分析了其物理机制；（5）利用紫外曝光套刻、电子束刻蚀等方法制作了沟道宽度为微米及亚微米的水平结构自旋极化电极，制备了多种水平结构底接触电极有机单晶自旋器件，测试了其自旋输运特性，发现基于单晶红荧烯材料的有机单晶自旋器件具有极长自旋扩散长度。截至目前，项目已发表SCI论文14篇，EI论文1篇，申请国家发明专利4项，已授权国家发明专利3项，培养博士4人，硕士5人，达到了本项目的目标。