双极化子对自旋极化输运的影响范文

1模型与方法

考虑一维Co/中间夹层/LSMO有机自旋器件,如图1所示,x<和x>x0的区域为铁磁(Co和LSMO)电极,<x<x0的区域为中间层,包含磁性渗透层和纯净有机层.自旋极化的载流子从Co电极注入磁性渗透层后,在外场的驱动下经过纯净有机层,最后进入右边的磁性LSMO电极.本文主要研究载流子在磁性渗透层中的输运情况.载流子由Co电极注入到磁性渗透层,在Co电极中载流子为携带自旋的电子(e和e),当注入到磁性渗透层时,自旋极化的电子转化为自旋极化的极化子,并在渗透层输运的过程中一部分极化子会转化为双极化子.如图1所示,我们将磁性渗透层中的载流子分为三个部分:自旋向上的极化子(p)、自旋向下的极化子(p)和不携带自旋的双极化子(bp).由于极化子、双极化子具有准粒子的特性[9−13]可用宏观动力学自旋相关的漂移扩散模型。式中e是电子电量,n↑(↓)为自旋向上(向下)极化子的浓度,N为双极化子的浓度.自旋反转时间τ↑↓(↓↑)表示自旋向上(向下)的极化子反转其自旋的平均时间.S↑(↓)r,t表示携带自旋的极化子的源,SNr,t表示不携带自旋的双极化子的源,都来源于极化子双极化子之间的转化.j↑(↓)为自旋向上(向下)的极化子的电流密度,jN为双极化子形成的电流密度,通过系统的电流满足电流连续性方程。(3)式等号右边的第一项描述了两个携带相反自旋的极化子湮没成不携带自旋的双极化子的概率,第二项描述的是上述的反过程,参数k和b分别表示转化强度,它们与器件温度有关.这里τ0表示极化子在纯净的有机层中的自旋反转时间,c是一个常数参量.在纯净的有机半导体中,我们认为携带不同自旋的载流子的自旋反转时间是相等的.(6)式表明自旋多子(自旋向上)反转自己的自旋所花费的平均时间要比自旋少子(自旋向下)的长,这与磁性渗透层具有与紧邻的磁性电极(Co)相同的磁化方向的假设是一致的.从(5)和(6)式可以看出,极化子在磁性渗透层中的迁移率具有位置依赖性,这是因为可能存在的杂质原子具有非均匀性.

2结果与讨论

如果有机层中不考虑双极化子的影响,如图2中蓝线所示.自旋极化子在有机层输运过程中,随着极化子自旋反转,自旋向上的极化子浓度逐渐减少,自旋向下的极化子浓度逐渐增加,最后达到平衡,极化子浓度趋于饱和,伴随着的是自旋极化率的衰减.自旋极化率在纯净有机层中是指数衰减的,但在磁性渗透层中,由于杂质原子的自旋相关的额外散射,自旋极化率在渗透层中的衰减比纯净有机层中缓慢得多.如果不考虑双极化子的影响,无论纯有机层还是磁性渗透层中,自旋向上极化子浓度的减少和自旋向下极化子浓度的增加变化是等速度的,图中表现为自旋向上极化子和自旋向下极化子的浓度分布具有对称性.但是有机层中的载流子不仅有携带自旋的极化子还有不携带自旋的双极化子,一对自旋相反的极化子相遇后会湮没成一个不携带自旋的双极化子,所以有机层中的自旋输运既有极化子参与,又有双极化子参与.如果考虑双极化子参与磁性相关输运,则基于本文中的自旋极化率的定义,磁性渗透层中自旋极化率的分布会受双极化子的影响.如图2中黑线所示,随着双极化子的创生,极化子的分布将发生变化,进而影响自旋极化率[29],我们发现自旋极化率将偏离原来的分布.综上所述,在有机半导体中双极化子的介入使自旋输运比在传统非有机半导体中复杂得多.在传统的半导体中只有携带自旋的载流子:电子或空穴.在输运过程中,人们通过探测器都可以识别自旋向上和向下的载流子,进而计算出自旋极化率.但是在有机半导体中,人们只能通过自旋探测器识别自旋向上和自旋向下的极化子,却不能识别不携带自旋的双极化子.这使得有机层和磁性渗透层中自旋极化率的计算更复杂,我们必须考虑双极化子的影响.在磁性渗透层中,Co原子或团簇对载流子的影响主要有两个方面:1)源自杂质原子的额外散射使载流子在渗透层中的迁移率低于纯净有机层;2)磁性杂质的磁化使得自旋向上的极化子反转,其自旋所需要的时间不同于自旋向下的极化子.这两方面的因素会影响极化子和双极化子之间的转化,进而影响自旋极化输运.下面将对磁性渗透层中迁移率和自旋反转时间的影响进行详细的讨论.首先,我们考虑载流子迁移率对自旋极化输运的影响.由于渗透层中Co杂质原子对载流子的额外散射,载流子的迁移率在磁性渗透层中要小于纯净有机层,我们取极化子在渗透层中的迁移率分别计算结果如图3所示.我们发现在双极化子浓度曲线Dx上有一个拐点x0,在这一点极化子和双极化子之间的转化达到了动态平衡,在x0之后双极化子的浓度不再变化,达到饱和.这意味着在x0点之后双极化子不再影响自旋极化率P的衰减,自旋极化率P以相同的类指数形式衰减,如图3(b)所示.

磁性渗透层中极化子迁移率取不同值,对应着不同的x0.大的极化子迁移率意味着大的载流子输运速度,这将导致拐点x0的坐标更大,即双极化子浓度达到饱和状态的位置坐标更大.另外我们发现,由于极化子-双极化子之间的转化效应,双极化子浓度达到饱和状态的位置坐标越大,越有利于极化子浓度的保持,如图3(b)所示,即越有利于自旋极化输运.一般认为双极化子的迁移率比极化子小,所以我们讨论极化子迁移率对自旋极化输运的影响时令双极化子迁移率是极化子的1/2.这里进一步讨论两者迁移率差异对自旋输运的影响.我们设极化子的迁移率不变,双极化子迁移率分别取µN.µn,.µn,.µn,结果如图4所示.在磁性渗透层中,双极化子迁移率的取值越小,其浓度饱和值越大,x0的位置坐标越小.另外,随着双极化子迁移率的取值越小,自旋极化率P在磁性渗透层中的衰减越快.这是因为载流子在输运过程中,对于常数的总电流jeEnµnNµN,由于驱动电场和极化子迁移率为常数的假设,载流子的浓度将随着双极化子迁移率的减小而增大.对于携带自旋的极化子而言,自旋向上与自旋向下的极化子浓度和会随着双极化子迁移率的减小而增大,但是自旋向上与自旋向下的极化子浓度差则几乎没有变化,如图4中内插图所示.然后,我们考虑了自旋反转时间劈裂对自旋输运的影响.因为磁性渗透层的磁化来源于渗透的Co原子或团簇,我们假设磁性渗透层的磁化强度小于Co电极的磁化强度,这要求∆τP0τ0(这里P0.是Co在费米能级处的自旋极化率),所以我们选取磁性渗透层中的自旋反转时间为∆ττ0,.τ0,.τ0.∆ττ0表示磁性渗透层中的Co的浓度为零,即具有和纯净有机层相同的性质,∆τ的值越大表示不同自旋的反转时间劈裂越大.如图5所示,磁性渗透层中,随着自旋反转时间劈裂的增大,双极化子的浓度呈现减小的趋势.与在磁性渗透层中不考虑双极化子影响的情况类似,自旋反转时间劈裂越大,自旋极化率在磁性渗透层中的衰减越缓慢,越有利于自旋极化输运的保持.在前面的讨论中我们知道,双极化子浓度的改变会影响自旋极化输运.但在本文中我们发现双极化子对自旋极化输运的影响不明显.这是因为影响自旋极化输运的主要因素是自旋反转时间的劈裂,而极化子和双极化子之间的转化是次要因素.

3结论

本文基于自旋相关的极化子-双极化子转化模型,从漂移-扩散方程出发,理论上研究了Co/有机半导体器件中可能存在的磁性渗透层中极化子和双极化子的转化对自旋极化输运的影响.研究发现,与纯净有机层中的情况类似,在磁性渗透层中极化子的自旋反转效应是引起自旋弛豫的主要因素,而极化子和双极化子之间的转化是次要因素.由于磁性原子的渗透导致的磁性渗透层的出现,作为自旋载流子的极化子的自旋反转时间和迁移率在渗透层中都会被调整.这两个因素都影响极化子和双极化子之间的转化,进而影响自旋极化率.由于渗透层中的Co原子对载流子的附加散射,极化子的迁移率在渗透层中将减小,这将减弱渗透层中的自旋极化率,而双极化子的介入使自旋极化率衰减进一步加快.由于磁性渗透层的磁化,自旋向上的极化子的自旋反转时间将不同于自旋向下的极化子,这将导致渗透层中自旋极化率的衰减变慢，有利于自旋输运.

作者：姜丽娜 张玉滨 董顺乐 单位：中国海洋大学, 信息科学与工程学院,