自旋閥結構對有機電致發光器件性能的影響

谷洪亮,

（鄭州航空工業管理學院,鄭州 450000）

自旋閥結構對有機電致發光器件性能的影響

谷洪亮,楊 光

（鄭州航空工業管理學院,鄭州 450000）

通過旋涂和熱蒸發的方法制作了帶有自旋閥結構的有機電致發光器件，在外加磁場的調制作用下，通過對有機電致發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；有機電致發光器件

1 引言

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反鐵磁耦合，那么在有機電致發光器件的發光層中會得到許多為器件發光做貢獻的單線態激子。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光器件性能的測試來驗證理論推測是否正確。

2 器件的制備與結構

器件的制備過程：我們利用熱蒸發成膜的方法，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.

3 結果與討論

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載流子的自旋注入。

圖3.2（a）和（b）依次給出了對數坐標下器件（1）和（2）的亮度-電壓關系曲線。

圖3.2 對數坐標下器件（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，Fe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。

4 結論

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光器件比無磁場作用下有機電致發光器件的發光強度有所下降。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光器件性能影響的研究[J].科技風,2014(09).