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有机—无机半导体材料界面的结构和电子态研究

陈美良  
【摘要】:Si和SiO_2是全世界最大的工业——电子工业中应用最广泛的材料,由于它在半导体器件和微电子技术中的广泛应用而受到人们的普遍关注。半导体器件和微电子技术是电子工业的核心,它的发展速度是其他任何技术都比不上的。到目前为止,微电子技术的发展基本遵循摩尔定律,进入微电子时代后,集成电路的最小特征尺寸以每年13%的速度缩小,已经进入了纳米时代。随着电子器件的小型化过程,作用单元的大小将会接近于一个分子的大小,未来的电子技术很大一部份会依赖于单个分子、原子或分子某部分的性质或功效,元件的主要功能将会通过几个分子层的界面物理过程体现出来。 许多有机分子都具有独立的电子学功能,它们的重要性随着半导体有机器件的发展而持续增长。在无机半导体上沉积有机分子层可以使无机半导体器件具有有机材料的一些性质。从长远看,将有机材料同传统的无机半导体材料结合起来具有很好的应用前景。 并四苯Tetracene(C_(18)H_(12))、并五苯Pentacene(C_(22)H_(14))、二萘嵌苯Perylene(C20H12)及它们的衍生物是常见的有机半导体材料,拥有相对较高的电荷迁移率,是研究有机半导体薄膜生长机理和光电学性质的很好材料。本研究是在超高真空系统中,利用石英晶体振动测厚仪严格控制有机半导体Tetracene和Perylene分子在清洁有序的无机衬底Si(111)-(7×7)和Si0_2/Si表面的生长,并通过紫外光电子能谱(UPS)方法进行原位定量分析,得到有机半导体分子在无机半导体表面的精确信息,从而了解有机分子在无机半导体表面的结构与电子态。 紫外光电子能谱研究结果显示,Tetracene在Si(111)-(7×7)表面上,与有机材料相关的谱峰位于费米能级以下的1.82,3.36,4.60,5.77,6.78,9.02和11.OeV处;Tetracene在Si0_2/Si表面上,与有机材料相关的谱峰位于费米能级以下的1.73,3.14,4.45,5.60,6.64,7.88和8.92eV处;Perylene在Si(111)-(7x7)表面上,与有机材料相关的谱峰位于费米能级以下的0.7,2.3,4.0,6.0,7.2和9.0eV处;Perylene在Si0_2/Si表面上,与有机材料相关的谱峰位于费米能级以下的3.0,4.5,6.1,7.5和9.3eV处。随着有机分子覆盖度的变化,与有机材料相关的谱峰位置发生移动,反映了在界面处有机-无机材料的相互作用。较大的谱峰移动发生在Si(111)-(7×7)表面上,反映了有机分子与该表面的相互作用较强。在有机分子沉积厚度为一个单层(1ML)之内,功函数随有机分子覆盖度的增大而减小。当覆盖度超过1ML后,功函数又有一定的增加。功函数在有机分子沉积厚度为1ML时结合能最低,反映了此时,有机吸附层与衬底之间电偶极层的形成。


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