自旋阀结构对有机电致发光器件性能的影响

谷洪亮,

（郑州航空工业管理学院,郑州 450000）

自旋阀结构对有机电致发光器件性能的影响

谷洪亮,杨 光

（郑州航空工业管理学院,郑州 450000）

通过旋涂和热蒸发的方法制作了带有自旋阀结构的有机电致发光器件，在外加磁场的调制作用下，通过对有机电致发光器件自旋阀特性曲线和亮度-电压关系曲线的测试，验证了自旋阀结构的器件对载流子的注入有较大的影响：自旋极化的载流子自旋方向与铁磁层的磁矩方向有关，当二者方向平行时，载流子散射较小，载流子比较容易通过样品；二者方向相反时，载流子散射较大，载流子通过样品比较困难。

外加磁场；自旋阀；有机电致发光器件

1 引言

自上世纪80年代后期人们[1]提出巨磁阻效应以来，世界范围内越来越多的人开始投入大量的工作来研究巨磁电阻。随着铁磁层FM1/非铁磁层NM/铁磁层FM2自旋阀结构器件的制作成功，学者们知道了可以利用不同强度的外加磁场来实现铁磁层中磁化方向的平行或反平行。Xiong Z.H.等人[2]在2004年设计了第一个有机自旋阀器件，他们利用π共轭有机半导体材料Alq3作为自旋阀器件的分隔层，在低温时观察到了Co/ Alq3/LSMO三层膜中40%的隧道磁电阻效应。

自旋极化的载流子自旋方向与铁磁层的磁矩方向有关，当二者方向平行时，载流子散射较小，载流子比较容易通过样品；二者方向相反时，载流子散射较大，载流子通过样品比较困难。如果两层铁磁层的矫顽力不同，在外加磁场的作用磁矩会出现反铁磁耦合，那么在有机电致发光器件的发光层中会得到许多为器件发光做贡献的单线态激子。该文章就是想通过对制作的带有自旋阀结构的有机电致发光器件性能的测试来验证理论推测是否正确。

2 器件的制备与结构

器件的制备过程：我们利用热蒸发成膜的方法，制备了ITO/ PEDOT:PSS/Fe3O4/MEHPPV/Fe/LiF/Al结构的有机自旋阀器件。器件的具体制备过程和条件如期刊文章中[3]所述。Fe3O4是在温度为1600℃、 速率为0.01 nm/s的条件下蒸镀的。器件的测试条件为：室温、常压、外加磁场与制作的器件的载流子注入方向垂直。

我们制作了带有自旋阀结构的如下两个器件：

（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 结果与讨论

先对制作的器件是否具有自旋阀特性进行研究。图（a）和（b）依次给出了器件（1）和（2）的自旋阀特性曲线。

图3.1 器件（1）和（2）的自旋阀特性曲线

从图（a）中我们可以看出，器件（1）的电流和电压之间表现出非线性关系；当Fe的厚度增加到3nm时，电流-电压特性曲线呈现出了的非线性关系；随着Fe的厚度增加，电流-电压特性曲线的非线性关系较为明显，这符合Simmons的隧穿理论。这一实验现象表明：我们制作的带有自旋阀结构有机层厚度小于自旋扩散长度，也证明了有机半导体可以实现载流子的自旋注入。

图3.2（a）和（b）依次给出了对数坐标下器件（1）和（2）的亮度-电压关系曲线。

图3.2 对数坐标下器件（1）和（2）的亮度-电压关系曲线

从图3.2中我们可以看出，在磁场作用下器件（1）和（2）的启亮电压要比无磁场作用下的情况增加。说明在磁场调制下，Fe和Fe3O4的磁矩反铁磁耦合，从Fe注入的极化电子和Fe3O4注入的极化空穴的自旋态相反，器件的电阻增加，载流子注入困难。随着Fe的厚度增加，器件的启亮电压呈现降低趋势，说明较厚的Fe可以增强聚合物界面处的自旋-轨道耦合作用，使得部分反铁磁平行的空穴自旋翻转，降低了器件的电阻。Fe3O4/MEHPPV/Fe的自旋阀结构对器件的电阻起到了调制作用。

对于带有自旋阀结构的器件来讲，磁性材料的选择非常重要，它关系着注入的载流子方向。我们选择了自旋极化度都很高的Fe和Fe3O4磁性材料，这为我们制作带有自旋阀特性的器件奠定了基础。

4 结论

总体来看，该文章中制作的自旋阀结构对制作的器件带来了正面的影响。但是由于半导体器件的电阻受温度影响很大，所以在室温的条件下我们想得到更好的自旋极化电子是比较困难的。然而，已研制成功的自旋阀结构[2]为有机电致发光器件效率的提高打下了良好的基础。通过实验我们能观察到制作的器件的自旋阀特性：磁场作用下有机电致发光器件比无磁场作用下有机电致发光器件的发光强度有所下降。实验也表明了Fe3O4（5 nm）/MEHPPV（100 nm）/Fe（3 nm）结构的自旋阀器件在该组实验中具有较好的结果，器件的磁性材料层和有机半导体发光层厚度要分别小于各自的自旋弛豫距离。

[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,张新国.磁场作用下ZnS:Mn纳米颗粒对有机电致发光器件性能影响的研究[J].科技风,2014(09).