红荧烯作为一种小分子有机半导体材料,由于其在发光效率、激子扩散长度、载流子迁移率等方面较之其他的有机材料有较大的优势,在近年来被广泛的应用于有机发光二极管、有机场效应晶体管及有机太阳能电池等领域的研究与开发当中。

而利用红荧烯单晶制备的有机场效应晶体管,在实验中测得其器件迁移率可达24.5cm2/Vs,这一数值在目前有机材料迁移率的研究中有着最佳的表现。

近年来,基于有机半导体的自旋电子学研究取得了很快的进展。然而,在室温下具有明显磁阻的自旋阀及自旋注入场效应晶体管却难以实现。

同时,在对所观察到的磁电阻的机理解释方面也产生了自旋注入与局部隧穿的争议。

有机材料的自旋轨道耦合及超精细相互作用非常弱,理论上应有很长的自旋扩散长度。

但在实验中,红荧烯及其他有机材料的自旋扩散长度仅为数十纳米。

其原因可能为有机材料迁移率很低,且在非晶或微晶的薄膜中存在大量的晶粒间界、缺陷以及杂质等影响因素。以上几种因素会明显的降低材料的自旋扩散长度,导致在常温及有机层厚度增大时几乎观测不到磁电阻现象。

而高质量的单晶材料能够最大限度的降低缺陷、杂质及晶界等不利因素的影响,降低电子陷阱的密度。

同时因红荧烯单晶具有很高的载流子迁移率。

因此,通过制备高质量红荧烯单晶材料及其自旋器件,并研究其自旋输运特性,有可能提高其载流子自旋扩散长度,实现更长距离的自旋输运。 本论文的研究内容和研究目的就是制备高质量的适合有机自旋电子器件的红荧烯单晶材料,研究其结构及物理性质,在此基础之上,研制基于单晶红荧烯材料的具有自旋极化电极且沟道宽度在微纳尺度的有机自旋电子器件,研究其电学性质及自旋输运性质,探索在红荧烯单晶中实现微米级超长距离自旋输运的方法,并为理清有机材料的本征自旋输运机理提供实验基础。 主要研究内容和结论如下：

首先,我们利用物理气相输运的方法制备了红荧烯单晶。

利用XRD分析了所制备的红荧烯单晶的结构及结晶质量。

利用AFM对晶体的表面形貌进行了表征和分析,结果显示红荧烯单晶表面具有明显的层状结构,说明其生长模式为层状生长。

我们还研究了制备的红荧烯单晶的光学性质,测试了其PL谱,发现红荧烯单晶具有较强的光学各向异性。

随后,通过对不同温度下的谱线进行研究,分析了温度对红荧烯单晶光学自吸收现象的影响。

得到其在极低温时的发光区主要位于黄绿光区域,而在常温时,由于明显的自吸收作用,发光区主要位于橙光区域。

其次,利用紫外掩膜对准曝光技术及电子束蒸发技术制备了中间沟道为2-3微米的具有两侧非对称铁磁电极的器件。

电极材料选取常规铁磁金属铁、钴和镍。

利用AES方法研究了该三种金属在晶体生长条件下的表面氧化情况,发现三种电极具有不同的氧化厚度,为了解决该问题,采取了在制备器件电极时覆盖一层5nm的铜作为保护层的方法,防止下方电极氧化。

利用AGM对非对称电极的磁滞回线进行测量,观测到两种不同电极材料之间的矫顽力能够有较为明显的区别,说明器件电极的磁化方向可以分别反转。

最后,利用半导体参数测试仪对器件在不同温度和外界磁场中的特性进行了研究。

发现器件表现出典型的二极管特性,且器件的电流-电压特性随着温度的升高有明显的变化,电阻与温度呈反比关系。

在磁场下电学输运性质方面,Ni/Rubrene/Co结构的器件在低温下外加1T的磁场时发现约44%的磁电阻,这也是首次在有机材料中观察到微米级的超长距离自旋输运。

室温时,没有观察到明显的磁电阻现象,由于器件的沟道距离约为2微米,故可以说明室温时红荧烯单晶的自旋扩散长度小于2微米。