新型四氧化三铁/有机半导体/金属复合薄膜自旋相关输运性质研究

采用磁控溅射法制备半金属四氧化三铁底电极和磁性金属顶电极，通过有机溶剂挥发法制备噻吩类有机半导体中间层，进而制备出新型的四氧化三铁/有机半导体/磁性金属异质结构的有机自旋阀。全面、系统地研究异质结构中的功函数、电子结构、载流子浓度、界面势垒等对体系电、磁性质的影响，探索自旋阀体系的电子自旋输运相关的新性质，解明有机半导体"反自旋阀效应"等自旋相关效应的物理机制，在此基础上进一步提高自旋阀的室温磁电阻和自旋极化电流的注入效率。.本课题的研究，对解明反自旋阀等效应的机理具有重要的科学意义，将增进对有机半导体材料自旋相关输运性质的理解，并为有机自旋阀在自旋电子器件领域的应用奠定基础。

有机半导体材料具有较低的轨道/自旋耦合强度和较弱的内部超精细相互作用，是非常理想的半导体自旋传输介质。将有机半导体引入自旋电子学器件中，并对其电、磁输运性质进行系统研究，对开发具有优异性能的自旋电子器件、探索自旋相关的新性质具有重要意义。本课题以有机半导体自旋阀作为研究对象，针对目前这类体系室温磁电阻较低、自旋相关输运机制不明确的问题，将由少数自旋载流子传导且具有高居里温度的半金属Fe3O4引入到自旋阀中作为电极，系统地研究了功函数、电子结构、载流子浓度、界面性质等对电、磁性质的影响，探索自旋阀体系的电子自旋输运相关新性质，探究有机半导体“反自旋阀效应”的物理机制，寻找提高自旋阀室温磁电阻的有效途径，取得了以下的研究成果：制备出了Fe3O4有机自旋阀，通过改变制备工艺参数、降低沉积速率、插入阻挡层等方法提高室温磁电阻，室温下获得1.6%的正磁电阻；利用Ni79Fe21替代Fe3O4作为底电极，在室温下观测到负巨磁电阻，认为Ni79Fe21和Fe3O4载流子自旋组态的差异造成了磁电阻符号相反，证明“反自旋阀效应”普遍存在；在Ni79Fe21/P3HT/Fe自旋阀中观测到各向异性磁电阻效应，将这种效应归因于界面扩散层，通过对Fe-P3HT颗粒膜的研究证明在有机体系中存在各向异性磁电阻增强现象；为了获得更高的磁电阻，分别利用A位或B位元素替代的方法，对Fe3O4电极的载流子浓度进行调控，在保持Fe3O4半金属性的前提下，降低材料的载流子浓度和金属/半导体接触势垒，有利于提高自旋注入效率；通过调整氧含量、改变电极材料的微观形貌等调节FeOx电极的矫顽力，分别获得超过10.5 kOe和1024 Oe的矫顽力，有助于提高有机自旋阀磁电阻的稳定性并在更宽的磁场范围内观测磁电阻效应。以上研究结果为获得较高的室温磁电阻提供了可能途径，加深了对有机体系自旋相关输运性质的理解，为“反自旋阀效应”提供了更多的实验依据。