自旋电子学是现代凝聚态物理学极具研究潜力的领域之一。与传统的电子学不同，自旋电子学将电子的自旋特性和电荷特性相结合，其核心内容是研究自旋极化电子的注入、输运、探测及自旋控制，其目的是将器件的电特性、光特性和磁特性等组合在一起，实现新型的自旋电子器件。自旋电子学是电子学的重大发展，近十几年来不仅导致了高密度存储器这类重大应用性器件的出现，而且还导致了一些基础性的物理革命，如自旋流、自旋压、自旋霍尔效应等新物理概念或现象的出现。自旋电子学器件包括铁磁金属或磁性半导体与绝缘体、超导体、导体、半导体等构型的复合，也包括近几年提出的有机功能固体或纳米小分子器件。目前，一些原型器件已被设计出来，如Datta和Das设计了第一个自旋晶体管等。器件的实际应用需要解决如何有效地将自旋极化电流注入半导体的问题，这要求理论与实验研究中准确描述自旋注入、演变以及界面效应等。目前研究发现，注入电流的自旋极化与两层材料的电阻之比密切相关，而电阻不匹配正是传统材料难以实现高自旋注入效率的原因所在。 相对于普通固体材料，柔软的有机半导体（OSCs：Organic semiconductors）可以和磁性层形成良好的接触，能有效减少自旋在界面的散射。由于有机材料弱的自旋－轨道耦合和超精细相互作用，载流子的自旋驰豫时间比较长，因而有机材料是实现自旋极化输运的理想候选材料。不同于传统的无机半导体中的载流子是电子，有机半导体中的载流子是极化子、双极化子和孤子等准例子，它们具有更复杂的电荷自旋关系，使有机自旋器件具有更丰富的特性。从小分子到高分子，人们对有机材料的电磁光等特性的认识越来越深入，无论从量子理论还是从经典理论出发，都得到了与实验具有可比性的理论结果。特别地，近几年来将有机半导体与自旋电子学结合，人们得到了一些令人振奋的新现象和新效应，行成了一个新的学科分支--有机自旋电子学。 有机自旋电子学是研究有机功能材料及其相关器件中的自旋产生、消灭、转移与存储等物理现象和物理机理的学科。它包含与化学交叉的有机材料和与物理学科交叉的自旋电子学两个领域。将二者结合，探讨有机材料在自旋电子学领域的应用显然具有重要的基础研究价值和潜在的应用背景，这也是当前国际上许多课题组密切关注的一个研究方向。 2002年Dediu课题组首次报道了有机材料中的自旋注入和输运，他们采用半金属CMR材料LaxSr1-xMnO3（LSMO）作极化电子给体，有机层采用sexithenyl（T6），实验发现了负磁电阻，表明有机层内存在自旋极化注入，两电极之间的输运电流是自旋极化的。近几年，已经有很多实验验证了有机材料中的自旋注入和输运现象。如2004年，Xiong等人制备了LSMO/Alq3/Co自旋阀，测得低温下可以实现40％的磁电阻效应；Majumdar等人采用LSMO作自旋极化电极，研究了LSMO/polymer/Co结构中的自旋极化注入现象，着重讨论了界面效应的影响等等。 对有机半导体中自旋注入和输运的理论研究包括以Xie等人为代表的量子理论和以Smith和Z．G．Yu等人为代表经典理论两个方面。前者能够描述自旋极化输运的微观机理，而后者可以得到一些可以与实验比较的物理量。近几年，人们已经对有机材料中的自旋极化注入和输运做了大量的理论工作。但是一些具体的问题人们还不是很清楚，例如，有机半导体中极化子和双极化子之间的转化对自旋极化注入和输运的影响；有机半导体中双极化子的浓度有什么因素决定?铁磁/有机半导体界面处磁性原子对有机半导体的渗透对于自旋极化注入和输运的影响等等。因此本论文将基于经典的漂移－扩散理论对上述问题展开相应研究，研究内容和结果如下： 1、极化子和双极化子对自旋极化注入和输运的影响 由于有机半导体具有强的电子－晶格相互作用，因此注入的电子将导致晶格发生畸变，最后形成一些电荷自陷态，如极化子和双极化子等。极化子具有1/2自旋，但双极化子不携带自旋。有机半导体中的极化子和双极化子并不是完全无关的，在外界条件，如温度、压力或者外场等作用下，两个自旋极化子可以湮灭成一个不带自旋的双极化子，一个双极化子也可以解离成两个极化子。Street等人曾经建立自旋不相关的极化子相互作用宏观模型，来分析极化子和双极化子之间的转化问题。人们在不考虑极化子和双极化子之间的转化的基础上，已经对它们在自旋输运中的作用有了初步的了解。但是正如上面所述，极化子和双极化子之间是存在转化的，这种转化对自旋极化注入和输运的影响会是怎样呢?本文在Street模型的基础上提出了一个自旋相关的极化子－极化子相互作用模型，来描述极化子和双极化子之间的转化，并用以研究有机半导体器件中自旋的注入和输运。基于包含了极化子与双极化子之间的转化效应和极化子自旋反转效应的漂移－扩散方程，我们计算了携带自旋的极化子和不携带自旋的双极化子的演化情况。研究发现极化子在有机半导体中的自旋极化输运中起主要作用。但是不同于传统的非有机半导体中的情况，不携带自旋的双极化子将影响有机器件中的自旋极化率。最后，讨论了载流子的自旋反转时间和迁移率对有机器件中自旋极化率的影响，我们发现大的自旋反转时间或迁移率有利于自旋在有机半导体中的输运。 2、有机自旋器件中影响双极化子浓度的因素 在第三章中，通过考虑极化子和双极化子之间的转化，我们发现双极化子将对自旋极化输运有重要的影响。另外，Bobbert等人认为产生有机磁电阻（OMAR：organic magnetoresistance）的原因是通过超精细相互作用，外磁场影响了自旋单态的生成几率，从而影响双极化子的含量。由此可见，双极化子作为载流子在有机自旋器件的自旋相关输运中起重要作用，它的浓度在一定程度上将决定有机自旋器件的性能。考虑极化子和双极化子之间的转化，我们基于漂移－扩散方程计算了双极化子的浓度分布情况，讨论了自旋反转时间、载流子迁移率等对双极化子浓度的影响。研究发现，极化子自旋反转时间的大小不影响双极化子的饱和浓度，但是自旋反转时间的劈裂不利于输运过程中双极化子的创生，这表明一个自旋非简并态不利于双极化子的创生。我们还发现，迁移率的大小对双极化子的饱和浓度没有影响。但是双极化子的饱和浓度随着双极化子和极化子迁移率之间的比值的减小而增大。 3、Co/有机半导体结构中Co渗透对自旋极化输运的影响 在有机器件如“Co/有机半导体/LSMO”的制备过程中，Co原子将渗透到柔软的有机层而形成磁性渗透层。我们考虑有机层中包含两个亚层：磁性渗透层和纯净有机层，并建立宏观动力学的自旋相关漂移－扩散方程研究了磁性渗透层对自旋极化率和器件磁电阻的影响。我们发现由于磁性渗透层不同于纯净有机层的自旋反转时间和迁移率，它将改变自旋的输运。由于渗透层中杂质原子或团簇的磁化作用，不同自旋的反转时间将不同，这种自旋反转时间的劈裂将有利于自旋极化率的输运。由于Co原子的额外散射，极化子在磁性渗透层中的迁移率将小于纯净有机层，这将减弱有机层中的自旋极化率，不利于自旋极化输运。对于一个给定的器件，我们讨论了磁性渗透层厚度对自旋极化率的影响。我们还用Julliere公式计算了“Co/有机半导体/LSMO”器件的磁电阻，得到了和实验数据符合的很好的结果。最后，我们讨论了界面磁性渗透对自旋注入的影响，发现在磁性渗透的影响下，界面是自旋选择性的，渗透层的磁化强度越大，自旋选择性越强，越有利于自旋的注入。