有机小分子/铁磁电极自旋界面磁学性质及机理的研究

It was noted that the spinterfaces between organic molecules and magnetic surfaces show unique magnetic properties, inparticular ferromagnetism at room temperature, which makes it a hot research topic in the field of organic spintronics because it opens a route to engineering spintronic devices operating at room temperature and designing of novel functional molecular spintronic devices. However, the mechanism of high temperature magnetic properties of organic molecule at spinterface is still not well understood. In this project, characterization of the magnetic properties and magnetoresistance of organic/magnetic interface will be investigated using physical properties measurement system under high magnetic field. In other to understand the mechanism and influencing factors of magnetic properties of organic molecule at spinterface, the magnetic chemical interaction, chemical interaction, electronic structures, and charge transfer dynamics at organic/ferromagnetic interfaces will be systematically investigated using state-of-the-art in situ synchrotron-based X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectroscopy, photoemission spectroscopy (PES), near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy and core-hole clock (CHC) spectroscopy. In addition, the mechanism of spin injection/detection will be clarified by combining the electronic structures, charge transfer dynamics with magnetoresistance.

有机分子/磁性表面自旋界面中有机分子表现出独特的磁学性能，甚至是室温铁磁性，为室温有机自旋电子学器件的优化以及新型分子自旋电子学器件的设计开辟了新的道路。自旋界面是有机自旋电子学领域的一个研究热点。然而，人们对界面处有机分子高温磁性及机理仍不明确。本项目利用强磁场下物理性质测量平台对有机分子/铁磁电极自旋界面磁性和磁电阻效应进行研究。为探究界面处分子独特磁学性质的来源及影响因素，本项目针对有机分子与磁性衬底异质界面的形成过程，利用基于同步辐射的X射线磁圆二色谱、光电子能谱、X射线近边吸收精细结构谱、芯能级空穴时钟谱等先进的谱学技术对有机分子/磁性衬底异质界面处磁化学相互作用、化学相互作用、电子结构以及界面电荷转移动力学进行系统地、原位地研究。另外，结合电子结构、自旋电子转移动力学和磁阻结果，考察自旋注入/探测的机理。

本研究借助强磁场下的物理性质测量平台和基于同步辐射的多种谱学技术对有机分子/功能衬底异质界面的磁性、界面相互作用、电子结构、分子取向和器件性能进行了研究，理解界面物理性质和器件性能之间的构效关系。在项目执行期间，共发表文章20篇，其中2篇JPCL，1篇EST，2篇ACS AMI，2篇PRB，2篇APL，撰写论著章节1章。受邀在国内外会议上作会议报告7次。在项目资助下，课题组发展了有机半导体自旋输运及器件的研究方向。培养博士1名，硕士1名。研究结果表明：(1)有机自旋电子学器件中，自旋散射主要发生在有机分子/铁磁电极异质界面。(2)降低异质界面电荷注入势垒，能有效提高相应器件的工作效率。(3)磁性功能材料的磁性受到填隙原子和空位缺陷的影响。(4)有机分子与功能性衬底之间的化学相互作用能有效钝化衬底的缺陷位，进而降低界面处电荷注入势垒，提升相应器件的工作效率。(5)除了强相互作用，有机分子和金属衬底之间的范德华相互作用(偶极-偶极相互作用)和分子取向影响界面电子结构，进而影响器件的性能。其中范德华相互作用起主导作用。这些结果充分说明有机分子/功能衬底异质界面的磁性、界面相互作用、电子结构和分子取向之间不是独立的，而是相互依赖的。一方面，它们协同作用决定电子学器件的性能。另一方面，界面工程成为优化电子学器件性能的重要途径。