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《中国科学技术大学》 2012年
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有机/无机界面几何结构、电子结构以及电荷传输动力学的研究

曹亮  
【摘要】:近年来,有机半导体分子得到广泛的关注,因为它们在有机发光二极管(OLED)、有机场效应管(OFET)、有机光伏太阳能电池(OPVC)以及染料敏化太阳能电池(DSSC)等有机电子学器件中有着广泛的应用。在这些有机电子学器件中,有机分子/衬底界面之间的性质决定器件的性能,因此,研究界面处的电学性质,尤其是电荷传输动力学有助于我们深入了解有机电子学器件的工作原理,对设计和优化器件有重要的指导意义。 本文利用同步辐射能谱技术以及其它表面分析手段对有机半导体分子与功能性衬底界面间的电子结构、分子取向、界面相互作用、界面传输动力学以及他们之间的关系进行了系统研究。具体研究内容和取得的结果包括以下几个方面: 首先,利用有机分子束沉积(OMBD)方法在Au(111)/mica上沉积PTCDA薄膜。使用光电子能谱(PES)、近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)、X射线衍射(XRD)以及原子力显微镜(AFM)系统研究了PTCDA/Au(111)/mica界面电子结构、PTCDA分子在表面的生长、分子的排列、有机薄膜的表面形貌以及影响因素。PES价带谱结果表明PTCDA分子和Au(111)界面间存在弱电子传输过程,但并没有发生明显的化学反应。角分辨NEXAFS和紫外光电子谱(UPS)均证明,在~2 ML/min的生长速率下,PTCDA分子是平铺在金属衬底表面的。根据Au4f7/2和C 1s峰积分强度随薄膜厚度的变化以及AFM图像可知,PTCDA分子在Au(111)/mica表面是一种典型的Stranski-Krastanov生长模式,即先层—层生长,再岛状生长,层层生长的厚度约为2ML。在层状生长到岛状生长的转变过程中,存在有机分子的去润湿过程;而在在~0.5 ML/min的生长速率下,PTCDA分子在衬底表面主要是无序排列的。 为了了解PTCDA与Au的界面相互作用的本质,以及界面电荷传输动力学,我们使用PES谱、角分辨NEXAFS谱和芯能级空穴时钟谱(Core-hole clockspectroscopy),研究了PTCDA在Au(111)单晶表面的分子取向和电荷传输动力学。角分辨NEXAFS结果表明,单层膜和多层膜的情况下,PTCDA分子均高度有序平铺在Au(111)衬底表面。在激发态情况下获得的LUMO轨道低于衬底的Fermi能级,因此,电子从LUMO轨道向衬底导带的跃迁是能量禁止的。单层膜的共振结构与多层膜的共振结构几乎相同,此共振结构说明,虽然分子有序平铺在衬底表面,但是高能量轨道的界面电荷传输时间仍然远大于芯能级空穴寿命(6 fs)。单层膜时,较慢的电荷传输过程主要是由PTCDA/Au(111)界面处弱的电子耦合导致的,这充分证明PTCDA与Au(111)衬底之间是范德华相互作用。虽然PTCDA分子与Au(111)衬底之间较弱的相互作用可能有利于分子在衬底表面的有序排列,但是这种弱的相互作用却不利于界面电荷传输。 为了进一步研究界面电子耦合和分子取向对界面电荷传输的影响,我们使用更活泼的功能性衬底—TiO2。使用PES、NEXAFS和Core-hole clockspectroscopy技术系统研究了PTCDA分子在金红石(rutile)TiO2(110) 1 1表面的电子结构、化学相互作用、分子取向、能级排列及电荷传输动力学。PES结果表明,酸酐官能团(O=C-O-C=O)与TiO2衬底表面反应,化学键在C-O-C处断裂,其中O原子与表面五重配位钛(Ti5f)原子反应并形成共价键,而C原子与附近的桥位氧(Ob)原子反应,形成C-O-Ti键。除了酸酐官能团(Anhydride groups)参与了与TiO2的反应,PTCDA分子中的苝核心(Perylene core)也参与了与衬底的反应,形成了一个新的C 1s组分。在最高占据态分子轨道(HOMO)低结合能处存在一个带隙态充分证明了PTCDA分子与TiO2衬底间较强的电耦合作用。在TiO2表面,PTCDA分子先层—层生长后岛状生长,层—层生长的厚度约为2单层(ML)。层—层生长时,由于分子—衬底较强的相互作用及化学反应,PTCDA分子并不是平铺在衬底表面。通过角分辨NEXAFS得知在亚单层(0.5 ML)、单层和多层膜时,PTCDA分别采取微倾斜、无序和近平铺的结构。界面处非平铺取向是由于分子—衬底相互作用导致的。在多层膜情况下,分子—衬底相互作用减弱,分子间氢键对分子的排列起主要作用,导致分子平铺排列,这与PTCDA在其他衬底,如Au(111)上的排列相同。获得的PTCDA/TiO2(110)界面能级排列图表明,PTCDA分子的LUMOs与衬底TiO2导带交叠。由Core-hole clockspectroscopy可以看出,亚单层和单层膜情况下的共振结构与多层膜情况下的共振结构完全不同,这说明PTCDA/TiO2界面处电子的传输很快。由于较强的界面耦合以及合适的界面能级排列,芯能级空穴谱估算界面电荷传输时间约为10~ 75 fs之间。此外,分子取向对Anhydride官能团相关轨道的电荷传输具有一定的影响:亚单层时,Anhydride相关共振轨道的电荷传输时间快于单层膜情况下的电荷传输;而两种条件下perylene相关轨道的电荷传输时间相近。 对比PTCDA/TiO2(110)和PTCDA/Au(111)体系电荷传输时间,我们发现界面电荷传输时间主要取决于界面间电子耦合。对于强耦合体系,如PTCDA/TiO2(110),有序分子取向对特定分子轨道的电荷传输有影响。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O561;O469

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