CN104269493B - 一种有机单晶自旋二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种有机单晶自旋二极管，包括两个铁磁电极，在所述两个铁磁电极之间设置有微米级的沟道，在所述沟道上覆盖有传输层，所述传输层为有机半导体单晶，所述有机单晶连接所述两个铁磁电极。本发明采用有机单晶因其结构单一，晶体质量良好，能够最大程度的避免缺陷、杂质、晶界等各种影响因素，能够较大程度的提高材料自旋扩散长度。载流子自旋扩散长度的提高，有助于降低有机自旋电子及光电子器件的制备难度，这对促进有机自旋电子学及有机自旋光电子学的发展起到重要的作用。同时，制备具有较大距离有机传输层的有机单晶器件，观察外加磁场对器件特性的影响，能够为研究有机磁电阻的产生机理提供一定的实验基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机单晶自旋二极管及其制备方法，属于自旋电子学的技术领域。
背景技术
近年来，自旋电子学在科研领域得到了很多的关注。自旋电子学的出现，将电子的自旋特性与电荷特性结合在一起，通常在器件中研究电子的自旋注入、自旋输运、自旋探测以及自旋调控等方面。从而使器件在光学、电学及磁学等方面的特性结合在一起，得到新型自旋电子器件。
相对于无机半导体，有机半导体具有弱自旋轨道耦合作用和超精细相互作用，载流子自旋弛豫时间长，且能够与柔性衬底良好结合等特点，在自旋电子学中具有良好的应用价值。有机材料具有非常长的自旋弛豫时间，在理论上应该存在着很长的自旋扩散长度，但在实验中测得的自旋扩散长度仅十几至数十纳米。2010年Yoo等人制备了LSMO/LAO/Rubrene/Fe自旋阀结构。红荧烯有机层厚度为50nm，在外加电压为3V时，观察到一个约3.75％的磁电阻，而当外加一个小于-5V的偏压时没有观察到有磁电阻信号。2012年Alam等人利用多孔氧化铝做模版，制备了纳米线红荧烯自旋阀，通过计算，得出该纳米线红荧烯的自旋扩散长度在8K和100K下分别约为47.4nm和46.3nm。之后，也有很多针对有机自旋电子器件的研究，但器件的有机层基本都是非晶或微晶薄膜，其内部存在大量的电子陷阱、缺陷和杂质等因素，使材料的自旋扩散长度降低很多。有机层的扩散长度仅数十纳米，这对器件的制备工艺要求极高，导致良品率低下。通过制备有机单晶自旋器件，能够最大程度上的降低缺陷、杂质、晶界等不利因素的影响，降低电子陷阱的密度，从而提高其载流子自旋扩散长度，实现更长距离的自旋输运。如果载流子自旋扩散长度有较大的提高，则可降低有机自旋阀、有机自旋发光二极管、有机自旋场效应晶体管等有机自旋电子及光电子器件的制备难度，这对促进有机自旋电子学及有机自旋光电子学的发展起到重要的作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种有机单晶自旋二极管。
本发明还提供一种上述有机单晶自旋二极管的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种有机单晶自旋二极管，包括两个铁磁电极，在所述两个铁磁电极之间设置有微米级的沟道，在所述沟道上覆盖有传输层，所述传输层为有机半导体单晶，所述有机单晶连接所述两个铁磁电极。本发明采用有机单晶因其结构单一，晶体质量良好，能够最大程度的避免以上各种影响因素，能够较大程度的提高材料自旋扩散长度。所以，制备具有较大距离有机传输层的有机单晶器件，观察外加磁场对器件特性的影响，能够为研究有机磁电阻的产生机理提供一定的实验基础。
根据本发明优选的，所述有机半导体单晶包括红荧烯具有平面分子构性的有机半导体化合物单晶、卟啉化合物有机半导体单晶、酞菁金属络合物有机半导体单晶或八羟基喹啉金属络合物有机半导体单晶。
根据本发明优选的，所述的沟道的宽度为100nm-1000μm。
根据本发明优选的，所述两个铁磁电极分别为不同种类的铁磁电极。
一种上述有机单晶自旋二极管的制备方法，包括步骤如下：
1)利用掩膜曝光技术在耐高温、不导电的衬底上形成第一电极图形以及第一层套刻标记的对应区域，随后利用电子束蒸发设备蒸镀第一铁磁电极材料；为防止电极氧化，在所述第一铁磁电极材料上接着蒸镀一层防氧化保护层；制备过后利用丙酮进行光刻胶的剥离；剥离后，即在所述衬底上制备出第一铁磁电极和第一层套刻标记；
2)利用如步骤1)相同的工艺步骤在所述衬底上分别制备出第二铁磁电极和第二层套刻标记；所制备出的第一铁磁电极和第二铁磁电极之间的距离形成微米级的沟道；所述第一层套刻标记和第二层套刻标记的作用是用于限定第一铁磁电极材料和第二铁磁电极材料之间的距离的，属于现有技术；
3)在所述沟道上按照现有技术制备有机半导体单晶，所述有机半导体单晶同时桥连第一铁磁电极和第二铁磁电极，即制成有机单晶自旋二极管器件。
根据本发明优选的，在所述步骤1)、2)中，所述蒸镀防氧化保护层为厚度≤10nm的金属铜层。
根据本发明优选的，所述的第一铁磁电极为镍电极，所述的第二铁磁电极为钴电极。
本发明所述的有机单晶自旋二极管器件，测试其电流-电压曲线表明器件具有明显的二极管特性，由于两侧电极具有不同的功函数，故器件具有单侧导通的特点，而另一侧随着偏压增大，也具有导通的趋势。通过改变外界磁场，发现器件电流-电压曲线在低温、高场的情况下有一定的变化。在温度为200K，外加磁场为1T时，在Ni/Rubrene/Co结构的器件中相对于零场时发现一个大小约44％的磁电阻；在190K时，在Ni/Rubrene/Fe结构的器件中观察到一个约3.16％的磁电阻。
本发明的优势在于：
本发明所述的有机单晶自旋二极管器件选取电极材料为铁磁电极，中间输运层为有机半导体单晶，输运长度达微米级；本发明所述的有机单晶自旋二极管器件具有单侧导通的典型的二极管器件特性，在磁场下具有磁电阻特性。
附图说明
图1为本发明所述有机单晶自旋二极管器件的结构俯视示意图；
图2为本发明所述有机单晶自旋二极管器件的结构侧视示意图；
在图1-2中，1、第一铁磁电极；2、第二铁磁电极；3、沟道；4、有机半导体单晶。
具体实施方法
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1所示。
实施例1
一种有机单晶自旋二极管，包括两个铁磁电极，在所述两个铁磁电极之间设置有微米级的沟道3，在所述沟道3上覆盖有传输层，所述传输层为有机半导体单晶4，所述有机单晶连接所述两个铁磁电极。所述有机半导体单晶为红荧烯具有平面分子构性的有机半导体化合物单晶。所述沟道的宽度为2μm。
实施例2、
如实施例1所述的一种有机单晶自旋二极管，其区别在于，所述有机半导体单晶为卟啉化合物有机半导体单晶。
实施例3、
如实施例1所述的一种有机单晶自旋二极管，其区别在于，所述有机半导体单晶为酞菁金属络合物有机半导体单晶。
实施例4、
如实施例1所述的一种有机单晶自旋二极管，其区别在于，所述有机半导体单晶为八羟基喹啉金属络合物有机半导体单晶。
实施例5、
一种如实施例1-4所述有机单晶自旋二极管的制备方法，包括步骤如下：
1)利用掩膜曝光技术在耐高温、不导电的衬底上形成第一电极图形以及第一层套刻标记的对应区域，随后利用电子束蒸发设备蒸镀第一铁磁电极材料；为防止电极氧化，在所述第一铁磁电极材料上接着蒸镀金属铜层，所述金属铜层的厚度5nm；制备过后利用丙酮进行光刻胶的剥离；剥离后，即在所述衬底上制备出第一铁磁电极和第一层套刻标记；
2)利用如步骤1)相同的工艺步骤在所述衬底上分别制备出第二铁磁电极和第二层套刻标记；所制备出的第一铁磁电极和第二铁磁电极之间的距离形成微米级的沟道；
3)在所述沟道上按照现有技术制备有机半导体单晶，所述有机半导体单晶同时桥连第一铁磁电极和第二铁磁电极，即制成有机单晶自旋二极管器件。
所述第一铁磁电极为镍电极，所述的第二铁磁电极为钴电极。
实施例5、
如实施例1所述有机单晶自旋二极管的制备方法，包括步骤如下：
1)利用掩膜曝光技术在耐高温、不导电的衬底上形成第一电极图形以及第一层套刻标记的对应区域，随后利用电子束蒸发设备蒸镀第一铁磁电极材料；为防止电极氧化，在所述第一铁磁电极材料上接着蒸镀金属铜层，所述金属铜层的厚度5nm；制备过后利用丙酮进行光刻胶的剥离；剥离后，即在所述衬底上制备出第一铁磁电极和第一层套刻标记；
2)利用如步骤1)相同的工艺步骤在所述衬底上分别制备出第二铁磁电极和第二层套刻标记；所制备出的第一铁磁电极和第二铁磁电极之间的距离形成微米级的沟道；
3)在所述沟道上利用物理气相输运的方法制备红荧烯具有平面分子构性的有机半导体化合物单晶：将红荧烯粉末放入双温区管式炉高温区处，衬底放在双温区管式炉低温区处，设置两个温区的温度及单晶生长时间，打开机械泵，抽真空至10Pa以下，通入纯度为99.99％的氩气，生长红荧烯具有平面分子构性的有机半导体化合物单晶；
所述红荧烯具有平面分子构性的有机半导体化合物单晶同时桥连第一铁磁电极和第二铁磁电极，即制成有机单晶自旋二极管器件。
所述第一铁磁电极为镍电极，所述的第二铁磁电极为钴电极。
本发明所述的有机单晶自旋二极管器件，测试其电流-电压曲线表明器件具有明显的二极管特性，由于两侧电极具有不同的功函数，故器件具有单侧导通的特点，而另一侧随着偏压增大，也具有导通的趋势。通过改变外界磁场，发现器件电流-电压曲线在低温、高场的情况下有一定的变化。在温度为200K，外加磁场为1T时，在Ni/Rubrene/Co结构的器件中相对于零场时发现一个大小约44％的磁电阻；在190K时，在Ni/Rubrene/Fe结构的器件中观察到一个约3.16％的磁电阻。而在常温时在以上两种结构的器件当中均未观察到明显的磁电阻现象。
Claims (7)
1.一种有机单晶自旋二极管，其特征在于，包括两个铁磁电极，在所述两个铁磁电极之间设置有微米级的沟道，在所述沟道上覆盖有传输层，所述传输层为有机半导体单晶，所述有机半导体单晶连接所述两个铁磁电极。
2.根据权利要求1所述的一种有机单晶自旋二极管，其特征在于，所述有机半导体单晶包括红荧烯具有平面分子构性的有机半导体化合物单晶、卟啉化合物有机半导体单晶、酞菁金属络合物有机半导体单晶或八羟基喹啉金属络合物有机半导体单晶。
3.根据权利要求1所述的一种有机单晶自旋二极管，其特征在于，所述的沟道的宽度为100nm-1000μm。
4.根据权利要求1所述的一种有机单晶自旋二极管，其特征在于，所述两个铁磁电极分别为不同种类的铁磁电极。
5.一种如权利要求1-4所述有机单晶自旋二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤如下：
1）利用掩膜曝光技术在耐高温、不导电的衬底上形成第一电极图形以及第一层套刻标记的对应区域，随后利用电子束蒸发设备蒸镀第一铁磁电极材料；为防止电极氧化，在所述第一铁磁电极材料上接着蒸镀一层防氧化保护层；制备过后利用丙酮进行光刻胶的剥离；剥离后，即在所述衬底上制备出第一铁磁电极和第一层套刻标记；
2）利用如步骤1）相同的工艺步骤在所述衬底上分别制备出第二铁磁电极和第二层套刻标记；所制备出的第一铁磁电极和第二铁磁电极之间的距离形成微米级的沟道；
3）在所述沟道上制备有机半导体单晶，所述有机半导体单晶同时桥连第一铁磁电极和第二铁磁电极，即制成有机单晶自旋二极管器件。
6.根据权利要求5所述的所述有机单晶自旋二极管的制备方法，其特征在于，在所述步骤1）、2）中，所述蒸镀防氧化保护层为厚度≤10nm的金属铜层。
7.根据权利要求5所述的所述有机单晶自旋二极管的制备方法，其特征在于，所述的第一铁磁电极为镍电极，所述的第二铁磁电极为钴电极。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170201 Termination date: 20171013 |
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