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材料科学与工程学院柔性有机光电实验室在有机自旋电子学领域取得新进展

时间:2018-07-03 23:14来源:未知 作者:武汉工程大学材料学院 点击:
      (通讯员 石胜伟)有机自旋电子学是有机半导体领域发展的一个新兴方向,也是一个必然过程。最先发展起来并且现在仍然研究较多的有机电子学,包括有机发光二极管、有机太阳能电池、有机薄膜晶体管等等,主要是利用了电子的电荷特性,顾名思义,有机自旋电子学研究的除了电子的电荷特性之外,更重要的是电子的自旋特性,而电子自旋的研究相对于电荷来说难度更大,因此它的发展也是最晚的。有机自旋电子学器件的一个关键问题是铁磁电极/有机的界面非常复杂,而界面对于实现载流子的自旋极化注入和传输至关重要。
       近期,世界知名出版社Wiley的学术期刊Advanced Electronic Materials报道了我校材料科学与工程学院柔性有机光电实验室工大学者特聘教授石胜伟博士在铁磁/有机杂化界面的相关研究工作《11,11,12,12-Tetracyanonaphtho-2,6-quinodimethane in Contact with Ferromagnetic Electrodes for Organic Spintronics》,DOI链接:https://doi.org/10.1002/aelm.201800077。这项工作正是针对有机自旋电子学器件中的铁磁/有机界面进行研究。其中我校为第一作者和通讯单位,国内合作单位还有南京工业大学、华南理工大学,国外合作单位包括瑞典、意大利和西班牙等几家大学和研究机构。
       作者采用了一种具有强电子受体的平面结构的有机小分子11,11,12,12-Tetracyanonaphtho-2,6-quinodimethane(TNAP)作为界面层,设想是把该分子引入到铁磁电极和有机半导体层之间,通过铁磁表面和极性分子之间的相互作用和能级杂化,以改善载流子的注入和自旋取向,从而提高有机自旋电子学器件的性能。作者采用现代的表面分析技术包括光电子能谱和同步辐射,研究了铁磁和TNAP分子界面的电子结构信息,实验发现由于强受体分子TNAP的存在,使得铁磁电极表面的功函数显著增加,有利于空穴载流子的注入,此外,通过X射线近边吸收谱和X射线磁圆二色谱发现,TNAP分子中存在着铁磁诱导极化现象,这意味着载流子在流经TNAP界面层的时候,带有自旋极化的信息,也即载流子能够保持较好的自旋取向通过界面进入有机半导体层,这对于自旋电子器件非常重要。
       之前,作者在Wiley出版社的另一个知名期刊Advanced Functional Materials(影响因子12)上已经对Co/TNAP界面作了首创性地介绍,而此次是基于TNAP分子的一个拓展的系统报道,这种有机分子在一系列铁磁电极表面具有杂化现象,包括铁磁金属(铁、钴、镍)、铁磁合金以及铁磁氧化物等,但是由于不同铁磁电极的表面活性不同,使得界面的相互作用和能级杂化效果是不一样的。此外,铁磁电极在外加磁场作用下对于有机分子具有诱导磁化影响,而反过来有机分子对于铁磁电极中元素的磁矩有反作用,从器件应用角度,既要在铁磁/有机界面处具有较强的自旋极化注入,铁磁电极还要保持较好的磁性。所以该研究对于如何选择界面提高有机自旋电子器件的性能具有重要的指导意义。
       本项工作中的光电子能谱方面的工作主要在瑞典林雪平大学Mats Fahlman教授的表面物理与化学课题组完成,而同步辐射方面的工作在瑞典国家同步辐射中心完成,同时作者与意大利CNR-ISMN的V.A.Dediu教授以及西班牙CiC NnaoGune研究所的Luis Hueso教授在本项目上具有非常紧密的合作,Dediu教授是世界上有机自旋电子学领域的鼻祖,他首先发明了有机自旋阀器件,从而推动了有机自旋电子学的发展。Fahlman教授是有机电子器件中最早重视和开展界面研究的科学家之一,在领域内具有重要的影响力。今后各方还将在本领域内继续加强合作和交流。
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