本文選題：有機自旋電子學(xué) + 有機半導(dǎo)體��； 參考：《山東大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著消費電子領(lǐng)域向輕、薄、大面積、柔性可折疊、節(jié)能環(huán)保、生物兼容、可穿戴等方向發(fā)展,有機半導(dǎo)體材料與器件研究受到世界各主要國家的重視,成為半導(dǎo)體及電子領(lǐng)域的熱門前沿方向之一。有機半導(dǎo)體因其主要由輕元素組成,自旋軌道耦合相互作用及超精細(xì)相互作用弱,因此具有極長的自旋弛豫時間,是一類極有前景的自旋電子材料,有望先于無機半導(dǎo)體實現(xiàn)速度更快、超低功耗、數(shù)據(jù)非揮發(fā)的多功能新型自旋器件。新世紀(jì)以來,基于有機半導(dǎo)體的自旋電子器件如有機自旋閥、有機自旋發(fā)光二極管、有機磁性隧道結(jié)等先后研制成功,顯示了有機半導(dǎo)體材料在自旋電子領(lǐng)域的光明前景。然而,由于自旋極化電極與有機層的匹配等問題的存在,目前有機自旋器件只在低溫下具有較好的性能,在室溫下的性能不高。開發(fā)具有鐵磁性的有機半導(dǎo)體材料,作為自旋注入電極層或緩沖層材料,有望解決電導(dǎo)率不匹配造成的自旋注入效率問題,進(jìn)而提高自旋電子器件及自旋光電子器件的室溫性能。在本論文中,我們選取具有優(yōu)異光電性質(zhì)的八羥基喹啉類有機小分子材料和稀土釤金屬元素,利用真空熱蒸發(fā)方法制備了兩種稀土摻雜八羥基喹啉有機小分子材料;測試表征了其形貌結(jié)構(gòu),并分析了稀土元素與有機分子的結(jié)合情況及電荷轉(zhuǎn)移情況;測試了樣品的磁性,分析了其磁性機理,獲得了具有室溫鐵磁性的有機小分子材料,為研制基于該磁性材料的有機自旋電子器件及光電子器件提供了材料基礎(chǔ);測試了樣品的光學(xué)性質(zhì),研究了稀土摻雜對樣品光學(xué)性質(zhì)的影響,獲得了同時具有鐵磁性、半導(dǎo)體導(dǎo)電性和優(yōu)異光電性質(zhì)的多功能有機材料,為研發(fā)集電子學(xué)、光學(xué)及磁學(xué)于一體的多功能及多場調(diào)控新型自旋器件提供了材料基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:一、稀土 Sm摻雜八輕基喹啉鎵(Gaq_3)的制備、結(jié)構(gòu)、磁性及光電性質(zhì)研究。使用真空共蒸發(fā)方法首次制備了一系列不同摻雜濃度的稀土 Sm摻雜Gaq_3薄膜,并在樣品中觀察到了室溫鐵磁性,最大矯頑力為103.32 Oe,飽和磁化強度為4.1 x 10-6emu。通過分析磁性隨Sm摻雜濃度的變化發(fā)現(xiàn),樣品的飽和磁化強度和矯頑力隨著摻雜濃度的增大而增大,在名義摻雜濃度為15 wt.%時達(dá)到最大值,繼續(xù)增大Sm濃度則樣品磁性降低。我們對摻雜薄膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,觀察了摻雜薄膜的表面形貌,排除了金屬Sm團簇的因素;分析FTIR圖譜得出了摻雜之后分子結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯的變化,說明摻雜金屬Sm并未改變Gaq_3的結(jié)構(gòu),進(jìn)而通過分析XPS圖譜得出金屬Sm原子作為施主原子有電子轉(zhuǎn)移至Gaq_3分子,影響了 Gaq_3分子中N-Ga鍵,形成了兩個新的峰位。然后,我們研究了摻雜薄膜的光電性質(zhì),通過對吸收光譜的測試,得到了在摻雜濃度為15wt.%時摻雜薄膜的禁帶寬度出現(xiàn)了明顯的變寬,可以理解為金屬Sm原子向吡啶環(huán)上轉(zhuǎn)移了電子,導(dǎo)致HOMO和LUMO之間能帶變寬,我們還研究了摻雜薄膜的光致發(fā)光性質(zhì),發(fā)現(xiàn)在低摻雜濃度時有輕微的藍(lán)移現(xiàn)象,在重?fù)诫s時出現(xiàn)了明顯的紅色熒光峰位,說明摻雜的金屬Sm影響了系統(tǒng)間的穿越常數(shù)(Kisc)。我們還研究了退火對Sm摻雜Gaq_3薄膜的影響。二、金屬Sm摻雜八羥基喹啉錳(Mnq_2)的制備、結(jié)構(gòu)及磁性研究。選用室溫順磁性稀土金屬釤(Sm),和順磁性的Mnq_2有機小分子,利用真空共蒸發(fā)方法首次制備了稀土 Sm摻雜的Mnq_2薄膜材料。原子力顯微鏡AFM研究顯示當(dāng)稀土金屬Sm的質(zhì)量比為7 wt.%時,摻雜薄膜均方根粗糙度為1.9 nm,與純凈的Mnq_2薄膜起伏相近,顯示Sm摻雜對Mnq_2表面影響不大。交變梯度磁強計(AGM)室溫磁性測試表明,經(jīng)過稀土摻雜后樣品呈現(xiàn)室溫鐵磁性,其磁性在Mn:Sm原子比為5.8:1時最強,矯頑力約為103.6 Oe,飽和磁化強度約為5.07 x 10-6emu。由于蒸發(fā)技術(shù)的限制,我們沒有辦法獲得Sm摻雜比例比Mn:Sm=5.8:l更低的樣品。隨著Sm金屬摻雜比例的提高,樣品的磁性降低,當(dāng)Mn:Sm原子比為1:1時,樣品的飽和磁化強度降低至0.35x 10-6 emu。我們還研究了金屬Dy摻雜八羥基喹啉錳(Mnq_2)的室溫鐵磁性,發(fā)現(xiàn)此體系的摻雜不會出現(xiàn)鐵磁信號。
[Abstract]:As the field of consumer electronics is light, thin, large, flexible, folding, energy saving, environmental protection, biocompatibility, and wearable development, the research of organic semiconductor materials and devices has been paid much attention by the major countries in the world. It has become one of the hot frontiers in the field of semiconductors and electronics. Organic semiconductors are mainly composed of light elements and spin tracks. The channel coupling interaction and the hyperfine interaction are weak, so it has a very long spin relaxation time, which is a very promising kind of spintronic material. It is expected to achieve faster, ultra low power and nonvolatile multi-function spin devices than inorganic semiconductors. Since Neocene, the spintronic devices based on organic semiconductors, such as Organic spin valves, organic spin light-emitting diodes, and organic magnetic tunneling junctions have been developed successively. It shows the bright future of organic semiconductor materials in the field of spintronics. However, due to the existence of the matching of spin polarized electrode and organic layer, organic spin devices have good performance at low temperature at present, and at room temperature. The development of a ferromagnetic organic semiconductor material, as a spin injection electrode or a buffer layer material, is expected to solve the problem of spin injection efficiency caused by the mismatch of electrical conductivity, and then improve the room temperature performance of spintronic devices and spin optoelectronic devices. In this paper, we choose to have excellent photoelectric properties. Eight hydroxyquinoline organic small molecular materials and rare earth samarium metal elements were prepared by vacuum thermal evaporation method. Two kinds of rare earth doped eight hydroxyquinoline organic small molecular materials were prepared. Their morphology and structure were characterized. The combination of rare earth elements with organic molecules and charge transfer conditions were analyzed. The magnetic properties of the samples were tested and analyzed. The magnetic mechanism, obtained the organic small molecular material with room temperature and ferromagnetism, provided the material basis for the development of the organic spintronic devices and optoelectronic devices based on the magnetic material, tested the optical properties of the samples, studied the influence of the rare earth doping on the optical properties of the samples, and obtained the ferromagnetism and the conductivity of the semiconductor simultaneously. Multi-functional organic materials with excellent photoelectric properties provide a material basis for the development of a multifunction and multi field spin device for the integration of electronics, optics and magnetism. The main contents and results are as follows: first, the preparation, structure, magnetic and photoelectric properties of rare earth Sm doped eight light base quinoline gallium (Gaq_3). A series of rare earth Sm doped Gaq_3 films with different doping concentrations were prepared for the first time. The magnetic properties of room temperature and ferromagnetism were observed in the samples. The maximum coercive force was 103.32 Oe and the saturation magnetization was 4.1 x 10-6emu.. The saturation magnetization and coercivity of the samples were found with the doping concentration of Sm, and the saturation magnetization and coercivity of the samples were with the doping concentration. When the nominal doping concentration is 15 wt.%, the maximum value is reached and the Sm concentration continues to increase, and the magnetic properties of the samples are reduced. We have analyzed the structure of the doped thin film, observed the surface morphology of the doped thin film and excluded the factors of the metal Sm cluster, and the FTIR map showed that the molecular structure did not appear obvious changes after doping. It shows that the doped metal Sm does not change the structure of the Gaq_3, and then through the analysis of the XPS map, the metal Sm atom is transferred to the Gaq_3 molecule as the donor atom, which affects the N-Ga bond in the Gaq_3 molecule and forms two new peaks. Then, we have studied the photoelectrical properties of the doped thin films, and obtained the results by testing the absorption spectra. When the doping concentration is 15wt.%, the band gap of the doped film broadens obviously. It can be understood that the metal Sm atoms transfer electrons to the pyridine ring, which leads to the band widening between HOMO and LUMO. We also studied the photoluminescence properties of the doped thin films. The obvious red fluorescence peaks indicate that the doped metal Sm affects the crossing constant of the system (Kisc). We also studied the effect of Annealing on Sm doped Gaq_3 films. Two, the preparation, structure and magnetic properties of Sm doped eight hydroxyquinoline manganese (Mnq_2). The Mnq_2 thin film materials doped with rare earth Sm were prepared by vacuum co evaporation method for the first time. The atomic force microscope (AFM) AFM study showed that when the mass ratio of rare earth metal Sm was 7 wt.%, the RMS roughness of the doped thin film was 1.9 nm, similar to the pure Mnq_2 film, showing that Sm doping had little influence on the Mnq_2 surface. ) the room temperature magnetic test shows that the sample exhibits room temperature ferromagnetism after rare earth doping, and its magnetic properties are the strongest when the Mn:Sm atom ratio is 5.8:1, the coercive force is about 103.6 Oe and the saturation magnetization is about 5.07 x 10-6emu.. Because of the limitation of evaporation technology, we have no way to obtain the samples with Sm doping ratio lower than Mn:Sm=5.8:l. With the doping of Sm metal. When the ratio is increased, the magnetic properties of the sample are reduced. When the Mn:Sm atom ratio is 1:1, the saturation magnetization of the sample is reduced to 0.35x 10-6 emu.. We also study the room temperature ferromagnetism of the metal Dy doped eight hydroxy quinoline manganese (Mnq_2). It is found that the doping of this system does not show the ferromagnetic signal.

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2;O627.3

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本文編號：1837378