酞菁自旋阀薄膜材料生长及磁性表征

作     者：姚先念 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宪民

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：磁电阻效应 有机自旋阀 自旋极化 自旋散射 氢酞菁薄膜 

摘      要：自旋电子学和有机半导体的相互结合与拓深,已使得有机自旋电子学成为一个新兴的热门研究领域。一方面,在自旋电子学中,自旋自由度的引入极大地丰富了微电子学的研究内容,这类新器件不仅利用电荷特性,同时利用载流子自旋输运来传递信号;另一方面,对于有机半导体而言,它们在高的结构灵活性、低的生产成本以及大面积制造等方面有着独特的优势。特别的是,从物理上讲,有机半导体的自旋轨道耦合和超精细相互作用较弱,使得自旋有更长的弛豫时间,这有助于开发下一代纳米电子器件。过去十几年里,自首次在有机自旋阀中观察到磁电阻效应,在理解自旋相关输运现象方面的物理研究已取得重大进展,例如自旋的注入、隧穿、扩散以及检测等。然而迄今为止,自旋阀磁性电极和中间层传输层材料仍效率不太高,无法实现真正的商业化应用。在本论文工作中,我们首先通过对薄膜电极的磁性进行表征,系统探究了铁磁(FM)薄膜电极材料Fe、Co以及CoFe的生长规律,然后研究了自旋阀结构特征的台阶形磁滞回线。相比100%自旋极化的半金属材料,虽然Fe、Co及其合金自旋极化率较低,但是其居里温度较高。同时制备条件相对更为简易,使其更适合作为商业化应用的自旋阀电极材料。同时,我们发现目前报道的有机自旋电子器件中有机半导体薄膜中分子的聚集状态多为无序态,自旋载流子在无序分子间的传递限制了自旋传递的距离与自旋保持的时间。有机层分子排布的位置无序引起的势垒和大量缺陷态会使电子在有机层中的自旋翻转,不利于自旋电子的传输。此外,有机层应用在器件中还会存在有机/磁性电极的界面处电导失配问题,引起界面处较大的电子散射。因此,优化有机层的生长对提高器件性能是非常必要的,我们研究了不同衬底温度以及不同衬底材料对氢酞菁(H2Pc)有机层生长的影响,主要研究结果总结如下:(1)成功地制备出了 Fe、Co以及CoFe磁性薄膜电极,系统探究了生长条件(生长气压和溅射功率)对Fe、Co薄膜面内矫顽力的影响。在此基础上,成功制备出FM/H2Pc/FM三明治结构器件,获得了器件的室温台阶形磁滞回线,证明我们制备的异质结构为自旋阀。进而,在Co/H2Pc/Co自旋阀中成功观察到了低温时1%的磁电阻信号,这是目前为数不多的关于酞菁自旋阀的磁电阻效应报道之一。我们还发现MR有强烈的温度依赖性,推测原因为自旋载流子在H2Pc中的翻转。(2)为了进一步提高磁电阻响应,我们希望通过织构调控生长出更加有序H2Pc薄膜用于自旋阀制备。通过控制衬底温度来优化H2Pc薄膜生长。发现随衬底温度升高,在玻璃衬底上生长出H2Pc薄膜为α单相且沿(200)晶向的择优取向更强。紫外可见吸收光谱结果表明,不同衬底温度生长的薄膜Q带632 nm处的吸收峰发生红移,说明电子共轭程度得到一定增强,电子输运会变得更加容易。通过制备Al/H2Pc/Al结构,对不同温度生长的H2Pc薄膜进行了电学表征,获得的非线性I-V曲线有强烈的温度依赖性,表明在H2Pc半导体薄膜中,载流子依靠热激活输运;同时发现随衬底温度升高,薄膜的热激活能降低,表明薄膜的有序度得到了显著增强。(3)在有机和磁性衬底上生长了 H2Pc薄膜。通过先生长一层有机衬底PTCDA作为诱导层,然后在PTCDA上生长H2Pc薄膜。发现PTCDA诱导可以改变酞菁薄膜的结晶取向,使分子沿平行与衬底方向生长。同时发现在PTCDA上生长的H2Pc紫外吸收常数增大为原来的1.6倍,这可能与分子排列更紧密相关。这个光学性质的改变,更利于光电器件的应用。在不同厚度的Co衬底上生长H2Pc薄膜,发现H2Pc以化学吸附的形式吸附在Co表面,在界面处有强烈的相互作用。对H2Pc薄膜而言,分子倾向于平躺着生长,对Co衬底而言,生长一层H2Pc薄膜后,其饱和磁化强度均减弱了 7%。这可能对自旋的注入效率有一定的影响,研究发现界面耦合起了主导作用。