高迁移率有机自旋电子器件的制备及自旋输运特性研究

在有机自旋电子学研究领域，一方面，有机半导体的自旋轨道耦合及超精细相互作用非常弱，自旋驰豫时间极长，在自旋电子学及量子计算等领域有极大潜力；另一方面，通过实验方法获得的自旋扩散长度却只有几十纳米，这就使得制备相关自旋电子器件受到很大限制。其中一个主要原因是有机半导体材料的迁移率太低。然而目前大家关注的焦点集中在自旋注入与自旋驰豫机制，迁移率的问题受到严重忽视，相关研究非常缺乏。本课题从研制高性能有机自旋电子器件出发，重点关注迁移率对有机半导体自旋扩散长度及有机自旋电子器件性能的影响，通过设计制作多个具有不同迁移率的系列材料及多种基于较高迁移率有机材料的自旋电子器件，深入研究其自旋相关输运特性，并力求揭示其内在机理，在此基础之上，摸索有机半导体材料与器件中较长自旋扩散长度的实现方法，力争在目前基础上将其提高一个数量级以上，为研制高性能实用有机自旋电子及光电子器件提供基础。

按照研究计划，我们全面摸索了多系列有机小分子材料及多种具有较高迁移率的有机单晶材料的制备方法及工艺条件，制备出了多种有机小分子薄膜材料和晶体材料，并对制备的材料进行了系统深入的表征和测试，分析了材料的光、电、磁等各项物理性质。在材料研究的基础上，我们利用紫外曝光套刻工艺制作了基于不同铁磁电极材料的自旋极化电极并制备了水平结构底接触有机单晶自旋二极管器件，并研究了其器件特性。主要包括：1）利用真空热蒸发方法制备了一系列的具有相似结构性能的8-羟基喹啉金属配合物薄膜，如8-羟基喹啉铝、8-羟基喹啉镓、8-羟基喹啉铍、8-羟基喹啉铁、8-羟基喹啉钴等，并对其进行了全面的结构性质研究以及自旋输运研究； 2）制备了多系列金属掺杂有机小分子薄膜材料，利用同步辐射光源EXAFS首次精确测定了金属杂质原子最近邻原子的类型、配位数及键长等数据，并研究了金属掺杂对材料物理性质及自旋输运的影响；3）选取了几种已知的具有较高迁移率的有机小分子材料如并五苯、红荧烯、酞菁铜等，以及有机自旋电子器件中使用最广泛的8-羟基喹啉材料，利用物理气相沉积方法，制备出了毫、厘米级的有机单晶和微纳尺度的分子晶体材料，并对其结构性质进行了全面研究；4）利用简易溶液方法制备了多种有机晶体材料，深入研究了其结构及光电性质；5）利用紫外套刻工艺及电子束蒸发，制作了间距约2微米的两自旋极化电极，成功实现了两电极矫顽场的分别反转。在此基础上，我们制作了水平结构底接触有机单晶自旋二极管器件，其中Ni/rubrene/Co器件在200 K低温下I-V特性表现出明显的磁场依赖，其在30 V偏压和1 T磁场时磁电阻可以达到约50%，显示高迁移率有机自旋电子器件中的自旋扩散长度有可能超过微米级。目前本项目已经在Appl. Phys. Lett.、Journal of Applied Physics、Journal of Crystal Growth、Optics Express等刊物发表SCI论文5篇，申请国家发明专利1项，培养博士生3名，硕士生4名，达到了本项目的预期目标。