雙極化子對自旋極化輸運的影響范文

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1模型與方法

考慮一維Co/中間夾層/LSMO有機自旋器件,如圖1所示,x<和x>x0的區域為鐵磁(Co和LSMO)電極,<x<x0的區域為中間層,包含磁性滲透層和純凈有機層.自旋極化的載流子從Co電極注入磁性滲透層后,在外場的驅動下經過純凈有機層,最后進入右邊的磁性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),當注入到磁性滲透層時,自旋極化的電子轉化為自旋極化的極化子,并在滲透層輸運的過程中一部分極化子會轉化為雙極化子.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、雙極化子具有準粒子的特性[9−13]可用宏觀動力學自旋相關的漂移擴散模型。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.自旋反轉時間τ↑↓(↓↑)表示自旋向上(向下)的極化子反轉其自旋的平均時間.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,都來源于極化子雙極化子之間的轉化.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,通過系統的電流滿足電流連續性方程。(3)式等號右邊的第一項描述了兩個攜帶相反自旋的極化子湮沒成不攜帶自旋的雙極化子的概率,第二項描述的是上述的反過程,參數k和b分別表示轉化強度,它們與器件溫度有關.這里τ0表示極化子在純凈的有機層中的自旋反轉時間,c是一個常數參量.在純凈的有機半導體中,我們認為攜帶不同自旋的載流子的自旋反轉時間是相等的.(6)式表明自旋多子(自旋向上)反轉自己的自旋所花費的平均時間要比自旋少子(自旋向下)的長,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,這是因為可能存在的雜質原子具有非均勻性.

2結果與討論

如果有機層中不考慮雙極化子的影響,如圖2中藍線所示.自旋極化子在有機層輸運過程中,隨著極化子自旋反轉,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層中是指數衰減的,但在磁性滲透層中,由于雜質原子的自旋相關的額外散射,自旋極化率在滲透層中的衰減比純凈有機層中緩慢得多.如果不考慮雙極化子的影響,無論純有機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,圖中表現為自旋向上極化子和自旋向下極化子的濃度分布具有對稱性.但是有機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,一對自旋相反的極化子相遇后會湮沒成一個不攜帶自旋的雙極化子,所以有機層中的自旋輸運既有極化子參與,又有雙極化子參與.如果考慮雙極化子參與磁性相關輸運,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受雙極化子的影響.如圖2中黑線所示,隨著雙極化子的創生,極化子的分布將發生變化,進而影響自旋極化率[29],我們發現自旋極化率將偏離原來的分布.綜上所述,在有機半導體中雙極化子的介入使自旋輸運比在傳統非有機半導體中復雜得多.在傳統的半導體中只有攜帶自旋的載流子:電子或空穴.在輸運過程中,人們通過探測器都可以識別自旋向上和向下的載流子,進而計算出自旋極化率.但是在有機半導體中,人們只能通過自旋探測器識別自旋向上和自旋向下的極化子,卻不能識別不攜帶自旋的雙極化子.這使得有機層和磁性滲透層中自旋極化率的計算更復雜,我們必須考慮雙極化子的影響.在磁性滲透層中,Co原子或團簇對載流子的影響主要有兩個方面:1)源自雜質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層;2)磁性雜質的磁化使得自旋向上的極化子反轉,其自旋所需要的時間不同于自旋向下的極化子.這兩方面的因素會影響極化子和雙極化子之間的轉化,進而影響自旋極化輸運.下面將對磁性滲透層中遷移率和自旋反轉時間的影響進行詳細的討論.首先,我們考慮載流子遷移率對自旋極化輸運的影響.由于滲透層中Co雜質原子對載流子的額外散射,載流子的遷移率在磁性滲透層中要小于純凈有機層,我們取極化子在滲透層中的遷移率分別計算結果如圖3所示.我們發現在雙極化子濃度曲線Dx上有一個拐點x0,在這一點極化子和雙極化子之間的轉化達到了動態平衡,在x0之后雙極化子的濃度不再變化,達到飽和.這意味著在x0點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,對應著不同的x0.大的極化子遷移率意味著大的載流子輸運速度,這將導致拐點x0的坐標更大,即雙極化子濃度達到飽和狀態的位置坐標更大.另外我們發現,由于極化子-雙極化子之間的轉化效應,雙極化子濃度達到飽和狀態的位置坐標越大,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.一般認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自旋極化輸運的影響時令雙極化子遷移率是極化子的1/2.這里進一步討論兩者遷移率差異對自旋輸運的影響.我們設極化子的遷移率不變,雙極化子遷移率分別取µN.µn,.µn,.µn,結果如圖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.這是因為載流子在輸運過程中,對于常數的總電流jeEnµnNµN,由于驅動電場和極化子遷移率為常數的假設,載流子的濃度將隨著雙極化子遷移率的減小而增大.對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有變化,如圖4中內插圖所示.然后,我們考慮了自旋反轉時間劈裂對自旋輸運的影響.因為磁性滲透層的磁化來源于滲透的Co原子或團簇,我們假設磁性滲透層的磁化強度小于Co電極的磁化強度,這要求∆τP0τ0(這里P0.是Co在費米能級處的自旋極化率),所以我們選取磁性滲透層中的自旋反轉時間為∆ττ0,.τ0,.τ0.∆ττ0表示磁性滲透層中的Co的濃度為零,即具有和純凈有機層相同的性質,∆τ的值越大表示不同自旋的反轉時間劈裂越大.如圖5所示,磁性滲透層中,隨著自旋反轉時間劈裂的增大,雙極化子的濃度呈現減小的趨勢.與在磁性滲透層中不考慮雙極化子影響的情況類似,自旋反轉時間劈裂越大,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的保持.在前面的討論中我們知道,雙極化子濃度的改變會影響自旋極化輸運.但在本文中我們發現雙極化子對自旋極化輸運的影響不明顯.這是因為影響自旋極化輸運的主要因素是自旋反轉時間的劈裂,而極化子和雙極化子之間的轉化是次要因素.

3結論

本文基于自旋相關的極化子-雙極化子轉化模型,從漂移-擴散方程出發,理論上研究了Co/有機半導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化對自旋極化輸運的影響.研究發現,與純凈有機層中的情況類似,在磁性滲透層中極化子的自旋反轉效應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化是次要因素.由于磁性原子的滲透導致的磁性滲透層的出現,作為自旋載流子的極化子的自旋反轉時間和遷移率在滲透層中都會被調整.這兩個因素都影響極化子和雙極化子之間的轉化,進而影響自旋極化率.由于滲透層中的Co原子對載流子的附加散射,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時間將不同于自旋向下的極化子,這將導致滲透層中自旋極化率的衰減變慢，有利于自旋輸運.

作者：姜麗娜 張玉濱 董順樂 單位：中國海洋大學, 信息科學與工程學院,