有机半导体薄膜与电极材料的界面电子结构研究

作     者：陈博通 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：Steffen Duhm

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：共轭有机半导体 界面性质 电子结构 光电子能谱 金属化 

摘      要：二十一世纪以来,有机电子学得到了飞速的发展,以有机发光二极管和太阳能电池为代表的光电器件取得了重大的突破。关于有机电子学的研究包括很多方面,其中一个非常基础却十分重要的研究方向就是器件的界面性质,因为从根本上研究器件的界面性质是改善其性能的前提和基础。尽管目前已经开展了大量的研究去优化和改良界面处的载流子输运和分离,但对于一些复杂的界面系统仍然缺乏足够的认识,尤其是有机/无机异质结的界面耦合机理研究还有很大的空白。基于以上目标,一方面,本论文引入了一种新型的大环共轭有机半导体材料Mabiq,利用X射线光电子能谱(XPS)、紫外光电子能谱(UPS)和密度泛函理论(DFT)等手段研究了 Mabiq分子在Au(111)、Ag(111)、Cu(111)和ITO四个电极材料上的界面性质。另一方面,利用XPS和UPS研究了α-六噻吩在洁净Si(100)基底与SiOx覆盖的Si(100)基底上不同的界面能级排列情况及其生长取向。本论文主要包括以下几个方面:(1)Mabiq修饰对金属单晶及ITO功函数的影响。我们利用单层Mabiq分子作为修饰材料,采用分子束外延法将其缓慢沉积在Au(111)、Ag(111)、Cu(111)三个金属单晶和ITO表面,研究其对基底功函数的影响。结果表明,单层Mabiq分子修饰后可以显著降低基底的功函数。在Au(111)基底上可以将其功函数降低1.34 eV;在Ag(111)和Cu(111)基底上降幅也分别达到了1.01 eV和1.04 eV;在ITO基底上降幅较小但也有0.56 eV。深入研究发现是Mabiq分子内独特的分子偶极矩在界面处引起的偶极效应与表面的推回效应造成的功函数剧烈变化,这体现出了 Mabiq分子作为电极修饰材料的优势和潜能。(2)Mabiq与金属单晶及ITO界面相互作用的研究。研究表明Mabiq分子在四个基底上具有不同的吸附行为,在室温下,Mabiq分子与Au(111)、Ag(111)和ITO三个基底之间是物理吸附,分子与基底之间呈现出弱耦合。而在Cu(111)基底上,Mabiq分子则以化学相互作用的形式吸附在铜基底上,主要机制是Cu(111)基底表面的部分铜原子与Mabiq分子在室温下发生了金属化反应,最终形成了金属配合物Cu-Mabiq。同时,我们也发现Mabiq分子在四个基底上的生长模式是不同的,这与四个界面系统中不同的偶极效应有关。(3)Mabiq在金属单晶表面的金属化研究。为了探索Cu(111)上金属化反应的起源及其与温度的关系,我们设计了基于液氮环境下的低温原位XPS实验,在78K的温度下沉积了分子,并逐步退火升温,最终在275K左右发现了金属化反应的起点。同时在另一组对照实验中发现高温480K时,Mabiq分子的金属化反应从中心结合位点转移到了外侧的第二结合位点。对于室温下呈弱耦合的Ag(111)基底,在退火到接近500K时,同样发现了金属化反应,但与Cu(111)不同的是,Ag(111)基底并没有发生金属化反应位点的转移,而是直接在外侧发生反应,这与两个不同界面系统的耦合作用强度有关。(4)α-六噻吩在硅表面的能级排列研究。研究了α-6T分子在洁净Si(100)基底与SiOx覆盖的Si(100)基底上不同的界面能级排列情况,发现在洁净Si(100)基底上,α-6T分子呈有序的生长模式,分子的HOMO峰较窄,能级排列方面,在分子侧没有能带弯曲。而在SiOx覆盖的Si(100)基底上α-6T分子呈无序生长,造成了更宽的分子HOMO峰,同时在分子侧形成了明显的能带弯曲。通过利用XPS、UPS和DFT方法对Mabiq与四个不同电极材料形成的异质结界面性质的研究,我们发现了这一新型有机材料的独特性质及其内在机理,为其在光电器件领域的应用提供了重要的理论支撑。然而,对于这种新型材料,还有很多未知的性质等待我们继续探索和研究,我们期待Mabiq及其一系列金属配合物能够为有机电子器件提供广阔的应用前景。而对于α-6T分子这样成熟应用的有机材料,可以做一系列分子结构层面的设计和改造,使其具备更多的性质。同时有机-无机杂化异质结的研究随着新材料的出现会有越来越多的可能性,α-6T分子及其衍生物与各种无机材料之间的杂化界面的研究未来将会是一个新的研究热点。