The objective of this study is to understand the mechanism of magnetoresistance in organic semiconductors.
To achieve the goal, a new measurement scheme for organic magnetoresistance (OMR) was devised, which can minimize the errors caused by a long-term current drift and dielectric relaxation in quasi-single-layer organic light emitting diodes (OLED). The new measurement scheme allows to measure OMR with a very high precision even at low magnetic fields. Electrical, thermal, morphological, structural, and photophysical properties of the OLED devices were examined by using differential scanning calorimetry, UV fluorescence optical microscopy, X-ray diffraction, and photoluminescence measurements. The long-term current drift and dielectric relaxation ($\sim$383 s) were observed in a quasi-single-layer OLED device based on Alq$_{3}$. Using the new measurement scheme, the power law behavior of magnetoresistance in Alq$_{3}$ was observed in an entire range of magnetic field from 1 to $\sim$140 mT. The magnetoresistance was observable only above the threshold voltage and its sign was always negative. However, the sign change was observed upon annealing of the Alq$_{3}$ film. X-ray diffraction spectra showed that the as-deposited Alq$_{3}$ film was initially amorphous, but changed to a crystalline $\beta$-phase after annealing at 145 $^{°}$C and above. The concomitant sign change in the magnetoresistance from negative to positive was observed at room temperature after the annealing. The magnetoresistance was decomposed into positive and negative components, with the negative one showing a power law behavior and the positive one saturated with a magnetic field.
이 연구에서는 유기물 자기저항 측정에서의 문제점을 체계화하고, tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum 박막의 구조 변화와 자기저항과의 상관관계를 연구하였습니다. tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum 에 기초한 단층 박막 구조의 유기 발광 다이오드 소자에서, 수 백 초에 이르는 장시간의 전류 변동과 유전완화 시간 ($\sim$383 s)을 관찰하였습니다. 이와 같은 전기적 특성은 자기저항 측정 시 심각한 오차를 발생시킬 수 있으며, 이를 최소화할 수 있는 자기저항 측정법을 제안하였습니다. 제안된 방법은 문제가 되는 낮은 자기장 영역과 낮은 전기장 영역에서 비교적 정확한 측정값을 제공할 수 있습니다. 이 방법을 tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum에 적용한 결과, 1 mT에서 대략 140 mT에 이르는 전 자기장 영역에서, 자기저항 값은 자기장에 대해 파워 형태의 의존성을 보였습니다. 발광이 관찰되기 시작하는 임계 전압 (2.1 V) 이상에서만 자기저항이 측정 가능했으며, 모두 음의 부호를 보인다는 점으로부터 exciton과 관련된 현상이라 추측할 수 있습니다. 하지만, 어닐링에 의해 비정질 구조에서 베타 형태의 결정 구조의 변화를 보이는 tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum 박막의 경우, 상온 자기저항 값에서의 부호 변화를 관찰할 수 있었습니다. 양과 음의 성분으로 분리할 수 있었습니다. 음의 자기저항은 파워 형태의 자기장 의존성을 보였으며, 양의 자기저항은 자기장에 대해 포화되는 특성을 보였습니다. 뿐만 아니라, 음의 자기저항은 결정성이 증가함에 따라 줄어들고, 양의 자기저항은 반대로 커지는 것을 관찰하였습니다. 따라서, 이들은 각각 외부 자기장에 의한 polaron pair 상태에서intersystem crossing 또는 polaron들의 hopping 시 spin-spin interaction 을 통한 singlet과 triplet 사이의 비율 변화로부터 발생할 수 있다고 결론을 내립니다.
