谷洪亮,
(鄭州航空工業(yè)管理學院,鄭州 450000)
自旋閥結構對有機電致發(fā)光器件性能的影響
谷洪亮,楊 光
(鄭州航空工業(yè)管理學院,鄭州 450000)
通過旋涂和熱蒸發(fā)的方法制作了帶有自旋閥結構的有機電致發(fā)光器件,在外加磁場的調制作用下,通過對有機電致發(fā)光器件自旋閥特性曲線和亮度-電壓關系曲線的測試,驗證了自旋閥結構的器件對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,當二者方向平行時,載流子散射較小,載流子比較容易通過樣品;二者方向相反時,載流子散射較大,載流子通過樣品比較困難。
外加磁場;自旋閥;有機電致發(fā)光器件
自上世紀80年代后期人們[1]提出巨磁阻效應以來,世界范圍內越來越多的人開始投入大量的工作來研究巨磁電阻。隨著鐵磁層FM1/非鐵磁層NM/鐵磁層FM2自旋閥結構器件的制作成功,學者們知道了可以利用不同強度的外加磁場來實現(xiàn)鐵磁層中磁化方向的平行或反平行。Xiong Z.H.等人[2]在2004年設計了第一個有機自旋閥器件,他們利用π共軛有機半導體材料Alq3作為自旋閥器件的分隔層,在低溫時觀察到了Co/ Alq3/LSMO三層膜中40%的隧道磁電阻效應。
自旋極化的載流子自旋方向與鐵磁層的磁矩方向有關,當二者方向平行時,載流子散射較小,載流子比較容易通過樣品;二者方向相反時,載流子散射較大,載流子通過樣品比較困難。如果兩層鐵磁層的矯頑力不同,在外加磁場的作用磁矩會出現(xiàn)反鐵磁耦合,那么在有機電致發(fā)光器件的發(fā)光層中會得到許多為器件發(fā)光做貢獻的單線態(tài)激子。該文章就是想通過對制作的帶有自旋閥結構的有機電致發(fā)光器件性能的測試來驗證理論推測是否正確。
器件的制備過程:我們利用熱蒸發(fā)成膜的方法,制備了ITO/ PEDOT:PSS/Fe3O4/MEHPPV/Fe/LiF/Al結構的有機自旋閥器件。器件的具體制備過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。器件的測試條件為:室溫、常壓、外加磁場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構的如下兩個器件:
(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.
先對制作的器件是否具有自旋閥特性進行研究。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)出非線性關系;當Fe的厚度增加到3nm時,電流-電壓特性曲線呈現(xiàn)出了的非線性關系;隨著Fe的厚度增加,電流-電壓特性曲線的非線性關系較為明顯,這符合Simmons的隧穿理論。這一實驗現(xiàn)象表明:我們制作的帶有自旋閥結構有機層厚度小于自旋擴散長度,也證明了有機半導體可以實現(xiàn)載流子的自旋注入。
圖3.2(a)和(b)依次給出了對數(shù)坐標下器件(1)和(2)的亮度-電壓關系曲線。
圖3.2 對數(shù)坐標下器件(1)和(2)的亮度-電壓關系曲線
從圖3.2中我們可以看出,在磁場作用下器件(1)和(2)的啟亮電壓要比無磁場作用下的情況增加。說明在磁場調制下,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,說明較厚的Fe可以增強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,降低了器件的電阻。Fe3O4/MEHPPV/Fe的自旋閥結構對器件的電阻起到了調制作用。
對于帶有自旋閥結構的器件來講,磁性材料的選擇非常重要,它關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。
總體來看,該文章中制作的自旋閥結構對制作的器件帶來了正面的影響。但是由于半導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構[2]為有機電致發(fā)光器件效率的提高打下了良好的基礎。通過實驗我們能觀察到制作的器件的自旋閥特性:磁場作用下有機電致發(fā)光器件比無磁場作用下有機電致發(fā)光器件的發(fā)光強度有所下降。實驗也表明了Fe3O4(5 nm)/MEHPPV(100 nm)/Fe(3 nm)結構的自旋閥器件在該組實驗中具有較好的結果,器件的磁性材料層和有機半導體發(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.磁場作用下ZnS:Mn納米顆粒對有機電致發(fā)光器件性能影響的研究[J].科技風,2014(09).