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1模型與方法

考慮一維Co/中間夾層/LSMO有機(jī)自旋器件,如圖1所示,x<和x>x0的區(qū)域?yàn)殍F磁(Co和LSMO)電極,<x<x0的區(qū)域?yàn)橹虚g層,包含磁性滲透層和純凈有機(jī)層.自旋極化的載流子從Co電極注入磁性滲透層后,在外場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)純凈有機(jī)層,最后進(jìn)入右邊的磁性LSMO電極.本文主要研究載流子在磁性滲透層中的輸運(yùn)情況.載流子由Co電極注入到磁性滲透層,在Co電極中載流子為攜帶自旋的電子(e和e),當(dāng)注入到磁性滲透層時(shí),自旋極化的電子轉(zhuǎn)化為自旋極化的極化子,并在滲透層輸運(yùn)的過(guò)程中一部分極化子會(huì)轉(zhuǎn)化為雙極化子.如圖1所示,我們將磁性滲透層中的載流子分為三個(gè)部分:自旋向上的極化子(p)、自旋向下的極化子(p)和不攜帶自旋的雙極化子(bp).由于極化子、雙極化子具有準(zhǔn)粒子的特性[9−13]可用宏觀動(dòng)力學(xué)自旋相關(guān)的漂移擴(kuò)散模型。式中e是電子電量,n↑(↓)為自旋向上(向下)極化子的濃度,N為雙極化子的濃度.自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間τ↑↓(↓↑)表示自旋向上(向下)的極化子反轉(zhuǎn)其自旋的平均時(shí)間.S↑(↓)r,t表示攜帶自旋的極化子的源,SNr,t表示不攜帶自旋的雙極化子的源,都來(lái)源于極化子雙極化子之間的轉(zhuǎn)化.j↑(↓)為自旋向上(向下)的極化子的電流密度,jN為雙極化子形成的電流密度,通過(guò)系統(tǒng)的電流滿足電流連續(xù)性方程。(3)式等號(hào)右邊的第一項(xiàng)描述了兩個(gè)攜帶相反自旋的極化子湮沒(méi)成不攜帶自旋的雙極化子的概率,第二項(xiàng)描述的是上述的反過(guò)程,參數(shù)k和b分別表示轉(zhuǎn)化強(qiáng)度,它們與器件溫度有關(guān).這里τ0表示極化子在純凈的有機(jī)層中的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間,c是一個(gè)常數(shù)參量.在純凈的有機(jī)半導(dǎo)體中,我們認(rèn)為攜帶不同自旋的載流子的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間是相等的.(6)式表明自旋多子(自旋向上)反轉(zhuǎn)自己的自旋所花費(fèi)的平均時(shí)間要比自旋少子(自旋向下)的長(zhǎng),這與磁性滲透層具有與緊鄰的磁性電極(Co)相同的磁化方向的假設(shè)是一致的.從(5)和(6)式可以看出,極化子在磁性滲透層中的遷移率具有位置依賴性,這是因?yàn)榭赡艽嬖诘碾s質(zhì)原子具有非均勻性.

2結(jié)果與討論

如果有機(jī)層中不考慮雙極化子的影響,如圖2中藍(lán)線所示.自旋極化子在有機(jī)層輸運(yùn)過(guò)程中,隨著極化子自旋反轉(zhuǎn),自旋向上的極化子濃度逐漸減少,自旋向下的極化子濃度逐漸增加,最后達(dá)到平衡,極化子濃度趨于飽和,伴隨著的是自旋極化率的衰減.自旋極化率在純凈有機(jī)層中是指數(shù)衰減的,但在磁性滲透層中,由于雜質(zhì)原子的自旋相關(guān)的額外散射,自旋極化率在滲透層中的衰減比純凈有機(jī)層中緩慢得多.如果不考慮雙極化子的影響,無(wú)論純有機(jī)層還是磁性滲透層中,自旋向上極化子濃度的減少和自旋向下極化子濃度的增加變化是等速度的,圖中表現(xiàn)為自旋向上極化子和自旋向下極化子的濃度分布具有對(duì)稱性.但是有機(jī)層中的載流子不僅有攜帶自旋的極化子還有不攜帶自旋的雙極化子,一對(duì)自旋相反的極化子相遇后會(huì)湮沒(méi)成一個(gè)不攜帶自旋的雙極化子,所以有機(jī)層中的自旋輸運(yùn)既有極化子參與,又有雙極化子參與.如果考慮雙極化子參與磁性相關(guān)輸運(yùn),則基于本文中的自旋極化率的定義,磁性滲透層中自旋極化率的分布會(huì)受雙極化子的影響.如圖2中黑線所示,隨著雙極化子的創(chuàng)生,極化子的分布將發(fā)生變化,進(jìn)而影響自旋極化率[29],我們發(fā)現(xiàn)自旋極化率將偏離原來(lái)的分布.綜上所述,在有機(jī)半導(dǎo)體中雙極化子的介入使自旋輸運(yùn)比在傳統(tǒng)非有機(jī)半導(dǎo)體中復(fù)雜得多.在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體中只有攜帶自旋的載流子:電子或空穴.在輸運(yùn)過(guò)程中,人們通過(guò)探測(cè)器都可以識(shí)別自旋向上和向下的載流子,進(jìn)而計(jì)算出自旋極化率.但是在有機(jī)半導(dǎo)體中,人們只能通過(guò)自旋探測(cè)器識(shí)別自旋向上和自旋向下的極化子,卻不能識(shí)別不攜帶自旋的雙極化子.這使得有機(jī)層和磁性滲透層中自旋極化率的計(jì)算更復(fù)雜,我們必須考慮雙極化子的影響.在磁性滲透層中,Co原子或團(tuán)簇對(duì)載流子的影響主要有兩個(gè)方面:1)源自雜質(zhì)原子的額外散射使載流子在滲透層中的遷移率低于純凈有機(jī)層;2)磁性雜質(zhì)的磁化使得自旋向上的極化子反轉(zhuǎn),其自旋所需要的時(shí)間不同于自旋向下的極化子.這兩方面的因素會(huì)影響極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而影響自旋極化輸運(yùn).下面將對(duì)磁性滲透層中遷移率和自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間的影響進(jìn)行詳細(xì)的討論.首先,我們考慮載流子遷移率對(duì)自旋極化輸運(yùn)的影響.由于滲透層中Co雜質(zhì)原子對(duì)載流子的額外散射,載流子的遷移率在磁性滲透層中要小于純凈有機(jī)層,我們?nèi)O化子在滲透層中的遷移率分別計(jì)算結(jié)果如圖3所示.我們發(fā)現(xiàn)在雙極化子濃度曲線Dx上有一個(gè)拐點(diǎn)x0,在這一點(diǎn)極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡,在x0之后雙極化子的濃度不再變化,達(dá)到飽和.這意味著在x0點(diǎn)之后雙極化子不再影響自旋極化率P的衰減,自旋極化率P以相同的類指數(shù)形式衰減,如圖3(b)所示.

磁性滲透層中極化子遷移率取不同值,對(duì)應(yīng)著不同的x0.大的極化子遷移率意味著大的載流子輸運(yùn)速度,這將導(dǎo)致拐點(diǎn)x0的坐標(biāo)更大,即雙極化子濃度達(dá)到飽和狀態(tài)的位置坐標(biāo)更大.另外我們發(fā)現(xiàn),由于極化子-雙極化子之間的轉(zhuǎn)化效應(yīng),雙極化子濃度達(dá)到飽和狀態(tài)的位置坐標(biāo)越大,越有利于極化子濃度的保持,如圖3(b)所示,即越有利于自旋極化輸運(yùn).一般認(rèn)為雙極化子的遷移率比極化子小,所以我們討論極化子遷移率對(duì)自旋極化輸運(yùn)的影響時(shí)令雙極化子遷移率是極化子的1/2.這里進(jìn)一步討論兩者遷移率差異對(duì)自旋輸運(yùn)的影響.我們?cè)O(shè)極化子的遷移率不變,雙極化子遷移率分別取µN.µn,.µn,.µn,結(jié)果如圖4所示.在磁性滲透層中,雙極化子遷移率的取值越小,其濃度飽和值越大,x0的位置坐標(biāo)越小.另外,隨著雙極化子遷移率的取值越小,自旋極化率P在磁性滲透層中的衰減越快.這是因?yàn)檩d流子在輸運(yùn)過(guò)程中,對(duì)于常數(shù)的總電流jeEnµnNµN,由于驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)和極化子遷移率為常數(shù)的假設(shè),載流子的濃度將隨著雙極化子遷移率的減小而增大.對(duì)于攜帶自旋的極化子而言,自旋向上與自旋向下的極化子濃度和會(huì)隨著雙極化子遷移率的減小而增大,但是自旋向上與自旋向下的極化子濃度差則幾乎沒(méi)有變化,如圖4中內(nèi)插圖所示.然后,我們考慮了自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間劈裂對(duì)自旋輸運(yùn)的影響.因?yàn)榇判詽B透層的磁化來(lái)源于滲透的Co原子或團(tuán)簇,我們假設(shè)磁性滲透層的磁化強(qiáng)度小于Co電極的磁化強(qiáng)度,這要求∆τP0τ0(這里P0.是Co在費(fèi)米能級(jí)處的自旋極化率),所以我們選取磁性滲透層中的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間為∆ττ0,.τ0,.τ0.∆ττ0表示磁性滲透層中的Co的濃度為零,即具有和純凈有機(jī)層相同的性質(zhì),∆τ的值越大表示不同自旋的反轉(zhuǎn)時(shí)間劈裂越大.如圖5所示,磁性滲透層中,隨著自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間劈裂的增大,雙極化子的濃度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).與在磁性滲透層中不考慮雙極化子影響的情況類似,自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間劈裂越大,自旋極化率在磁性滲透層中的衰減越緩慢,越有利于自旋極化輸運(yùn)的保持.在前面的討論中我們知道,雙極化子濃度的改變會(huì)影響自旋極化輸運(yùn).但在本文中我們發(fā)現(xiàn)雙極化子對(duì)自旋極化輸運(yùn)的影響不明顯.這是因?yàn)橛绊懽孕龢O化輸運(yùn)的主要因素是自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間的劈裂,而極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化是次要因素.

3結(jié)論

本文基于自旋相關(guān)的極化子-雙極化子轉(zhuǎn)化模型,從漂移-擴(kuò)散方程出發(fā),理論上研究了Co/有機(jī)半導(dǎo)體器件中可能存在的磁性滲透層中極化子和雙極化子的轉(zhuǎn)化對(duì)自旋極化輸運(yùn)的影響.研究發(fā)現(xiàn),與純凈有機(jī)層中的情況類似,在磁性滲透層中極化子的自旋反轉(zhuǎn)效應(yīng)是引起自旋弛豫的主要因素,而極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化是次要因素.由于磁性原子的滲透導(dǎo)致的磁性滲透層的出現(xiàn),作為自旋載流子的極化子的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間和遷移率在滲透層中都會(huì)被調(diào)整.這兩個(gè)因素都影響極化子和雙極化子之間的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而影響自旋極化率.由于滲透層中的Co原子對(duì)載流子的附加散射,極化子的遷移率在滲透層中將減小,這將減弱滲透層中的自旋極化率,而雙極化子的介入使自旋極化率衰減進(jìn)一步加快.由于磁性滲透層的磁化,自旋向上的極化子的自旋反轉(zhuǎn)時(shí)間將不同于自旋向下的極化子,這將導(dǎo)致滲透層中自旋極化率的衰減變慢，有利于自旋輸運(yùn).

作者：姜麗娜 張玉濱 董順樂(lè) 單位：中國(guó)海洋大學(xué), 信息科學(xué)與工程學(xué)院,