自旋閥結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件性能的影響

谷洪亮,

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,鄭州 450000）

自旋閥結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件性能的影響

谷洪亮,楊 光

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,鄭州 450000）

通過(guò)旋涂和熱蒸發(fā)的方法制作了帶有自旋閥結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光器件，在外加磁場(chǎng)的調(diào)制作用下，通過(guò)對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件自旋閥特性曲線和亮度-電壓關(guān)系曲線的測(cè)試，驗(yàn)證了自旋閥結(jié)構(gòu)的器件對(duì)載流子的注入有較大的影響：自旋極化的載流子自旋方向與鐵磁層的磁矩方向有關(guān)，當(dāng)二者方向平行時(shí)，載流子散射較小，載流子比較容易通過(guò)樣品；二者方向相反時(shí)，載流子散射較大，載流子通過(guò)樣品比較困難。

外加磁場(chǎng)；自旋閥；有機(jī)電致發(fā)光器件

1 引言

自上世紀(jì)80年代后期人們[1]提出巨磁阻效應(yīng)以來(lái)，世界范圍內(nèi)越來(lái)越多的人開(kāi)始投入大量的工作來(lái)研究巨磁電阻。隨著鐵磁層FM1/非鐵磁層NM/鐵磁層FM2自旋閥結(jié)構(gòu)器件的制作成功，學(xué)者們知道了可以利用不同強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵磁層中磁化方向的平行或反平行。Xiong Z.H.等人[2]在2004年設(shè)計(jì)了第一個(gè)有機(jī)自旋閥器件，他們利用π共軛有機(jī)半導(dǎo)體材料Alq3作為自旋閥器件的分隔層，在低溫時(shí)觀察到了Co/ Alq3/LSMO三層膜中40%的隧道磁電阻效應(yīng)。

自旋極化的載流子自旋方向與鐵磁層的磁矩方向有關(guān)，當(dāng)二者方向平行時(shí)，載流子散射較小，載流子比較容易通過(guò)樣品；二者方向相反時(shí)，載流子散射較大，載流子通過(guò)樣品比較困難。如果兩層鐵磁層的矯頑力不同，在外加磁場(chǎng)的作用磁矩會(huì)出現(xiàn)反鐵磁耦合，那么在有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光層中會(huì)得到許多為器件發(fā)光做貢獻(xiàn)的單線態(tài)激子。該文章就是想通過(guò)對(duì)制作的帶有自旋閥結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光器件性能的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證理論推測(cè)是否正確。

2 器件的制備與結(jié)構(gòu)

器件的制備過(guò)程：我們利用熱蒸發(fā)成膜的方法，制備了ITO/ PEDOT:PSS/Fe3O4/MEHPPV/Fe/LiF/Al結(jié)構(gòu)的有機(jī)自旋閥器件。器件的具體制備過(guò)程和條件如期刊文章中[3]所述。Fe3O4是在溫度為1600℃、 速率為0.01 nm/s的條件下蒸鍍的。器件的測(cè)試條件為：室溫、常壓、外加磁場(chǎng)與制作的器件的載流子注入方向垂直。

我們制作了帶有自旋閥結(jié)構(gòu)的如下兩個(gè)器件：

（1）ITO/PEDOT:PSS（20 nm）/Fe3O4（5 nm）/MEHPPV/Fe（3 nm）/LiF（1 nm）/Al;

（2）ITO/PEDOT:PSS（20 nm）/Fe3O4（5 nm）/MEHPPV/Fe（5 nm）/LiF（1 nm）/Al.

3 結(jié)果與討論

先對(duì)制作的器件是否具有自旋閥特性進(jìn)行研究。圖（a）和（b）依次給出了器件（1）和（2）的自旋閥特性曲線。

圖3.1 器件（1）和（2）的自旋閥特性曲線

從圖（a）中我們可以看出，器件（1）的電流和電壓之間表現(xiàn)出非線性關(guān)系；當(dāng)Fe的厚度增加到3nm時(shí)，電流-電壓特性曲線呈現(xiàn)出了的非線性關(guān)系；隨著Fe的厚度增加，電流-電壓特性曲線的非線性關(guān)系較為明顯，這符合Simmons的隧穿理論。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：我們制作的帶有自旋閥結(jié)構(gòu)有機(jī)層厚度小于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，也證明了有機(jī)半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)載流子的自旋注入。

圖3.2（a）和（b）依次給出了對(duì)數(shù)坐標(biāo)下器件（1）和（2）的亮度-電壓關(guān)系曲線。

圖3.2 對(duì)數(shù)坐標(biāo)下器件（1）和（2）的亮度-電壓關(guān)系曲線

從圖3.2中我們可以看出，在磁場(chǎng)作用下器件（1）和（2）的啟亮電壓要比無(wú)磁場(chǎng)作用下的情況增加。說(shuō)明在磁場(chǎng)調(diào)制下，F(xiàn)e和Fe3O4的磁矩反鐵磁耦合，從Fe注入的極化電子和Fe3O4注入的極化空穴的自旋態(tài)相反，器件的電阻增加，載流子注入困難。隨著Fe的厚度增加，器件的啟亮電壓呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明較厚的Fe可以增強(qiáng)聚合物界面處的自旋-軌道耦合作用，使得部分反鐵磁平行的空穴自旋翻轉(zhuǎn)，降低了器件的電阻。Fe3O4/MEHPPV/Fe的自旋閥結(jié)構(gòu)對(duì)器件的電阻起到了調(diào)制作用。

對(duì)于帶有自旋閥結(jié)構(gòu)的器件來(lái)講，磁性材料的選擇非常重要，它關(guān)系著注入的載流子方向。我們選擇了自旋極化度都很高的Fe和Fe3O4磁性材料，這為我們制作帶有自旋閥特性的器件奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

總體來(lái)看，該文章中制作的自旋閥結(jié)構(gòu)對(duì)制作的器件帶來(lái)了正面的影響。但是由于半導(dǎo)體器件的電阻受溫度影響很大，所以在室溫的條件下我們想得到更好的自旋極化電子是比較困難的。然而，已研制成功的自旋閥結(jié)構(gòu)[2]為有機(jī)電致發(fā)光器件效率的提高打下了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們能觀察到制作的器件的自旋閥特性：磁場(chǎng)作用下有機(jī)電致發(fā)光器件比無(wú)磁場(chǎng)作用下有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度有所下降。實(shí)驗(yàn)也表明了Fe3O4（5 nm）/MEHPPV（100 nm）/Fe（3 nm）結(jié)構(gòu)的自旋閥器件在該組實(shí)驗(yàn)中具有較好的結(jié)果，器件的磁性材料層和有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光層厚度要分別小于各自的自旋弛豫距離。

[1]P.Grunberg, R.Sehreiber, Y.Pang, M.B.Brodsky, H.Sower, Layered Magnetic Structures:Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers.Phys.Rev.Lett.1986（57）：2442-2445

[2]Xiong Z H, Di Wu, Valy Vardeny Z, et al.Giant magnetoresistance in organic spin-valves [J].Nature,2004（427）:821-824.

[3]谷洪亮,張新國(guó).磁場(chǎng)作用下ZnS:Mn納米顆粒對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件性能影響的研究[J].科技風(fēng),2014(09).