过渡金属及半导体表面低维碳纳米结构的电子态调控研究

发布时间：2020-10-17 03:55

　　 不同材料间的界面对器件的性能具有决定性的影响,光伏电池,晶体管等器件性能无不与材料的界面密切相关,因此,研究材料的界面性质具有重要意义。此外,由于有机小分子具有模块化组装,柔性等特点,近年来正备受关注,但是由于有机分子与金属(半导体)间的界面行为与传统半导体界面存在差异,从而需要进一步研究其界面行为。文章首先讨论了相关的界面问题,介绍了有机小分子-金属界面和有机小分子-半导体界面性质,其次总结了影响这些性质的主要因素并得出这些性质会影响界面电子态,最后根据这些影响因素,选择具有代表性的有机小分子酞菁钴(CoPc)和2,7-二澳芘(2,7-Dibromopyrene,C16H8Br2),并以Ag(111),Cu(111),Si(111)和SiC(0001)作为衬底,分别对金属上的有机分子和半导体上的有机分子(石墨烯)电子态进行研究,同时对其电子态进行调控。文章实验部分总体上可以分为三大部分,第三章为金属上有机小分子的电子态调控实验,第四章和第五章比较了金属和半导体上有机小分子的结构,并对半导体上的有机小分子进行了调控,第六章探讨了如何在衬底SiC上调控单层石墨烯电子态。CoPc在Cu(111)界面会发生原子取代反应,衬底Cu原子取代酞菁环中心的Co原子形成CuPc,产物Co原子与Cu衬底形成合金。这一过程开始于室温,热退火促进了反应的进行,全过程可以通过XPS、UPS获得电子态变化趋势,DFT计算验证了我们的假设。在这章中我们可以通过原位退火的方式使有机小分子和衬底反应,调控电子态变化。在室温衬底上能够制备自组装的C16H8Br2岛状结构。在热衬底上制备样品能够得到C16H8Br2与Ag原子反应形成的中间体(Ag-C16H8-Ag)以及链状结构([C16H8]n),此过程中产生的Br原子通过氢键的方式影响着中间体在Ag(111)表面的取向。与前面的处理方式不同,对Si(111)7×7上的C16H8Br2进行直流加热获得样品,并研究其电子态变化,得出二澳芘能够脱氢和澳形成自由基——-C16-结构(Radical 2,7-Dibromopyrene,RDP),这些活化分子通过静电排斥作用自组装在Si(111)7×7表面的,控制直流加热(Flash)次数,能够在半导体Si上形成稳定的链状碳纳米结构。通过比较,金属Ag上的有机分子单体和有机分子链通过氢键相互作用控制着间距和取向,而半导体Si上则通过静电排斥作用影响RDP排列和有机分子链的取向。插层Fe原子在SiC(0001)上获得准直立石墨烯。首先经过Flash SiC(0001)获得单层的石墨烯,在其上蒸渡Fe原子,再经过多步热退火,可以获得准直立的石墨烯结构,这过程中可以很清楚地通过XPS看到芯能级态变化,发现石墨烯的含量增加。并且通过ARPES看到价带的变化过程,由单层石墨烯向双层石墨烯转变。在此过程中拉曼谱可以判定石墨烯的质量得到了改善。本文主要探讨了有机分子在金属和半导体衬底上的行为并且调控其电子态变化过程,主要通过热退火(辐射加热,直流加热)以及插层原子的方式来实现。希望本文能够拓宽金属/半导体衬底上的碳纳米结构的制备方法,并为低维碳纳米结构的电子态调控提供借鉴。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TN304
【部分图文】：

可以近似地认为是理想的传输界面，即理想的金属－有机半导体肖特基界面??［３９］。图１－?１（ａ）为具有理想肖特基－莫特界面的金属－有机小分子能级图，从图上??可以看出，具有功函数０的金属费米能级办处于有机分子带隙中，并且真空能??级（五Ｖａｃ）齐平。此外，有机分子的电子亲和势（ＥＡ）和电离能（ＩＥ）不受金属??影响，最高占据态分子轨道（ＨＯＭＯ）和最低未占据态分子轨道（ＬＵＭＯ）也不??发生变化。但是，实际上有机分子通过物理吸附的方式存在于金属上时，大都会??产生界面偶极（ＩｎｔｅｒｆａｃｉａｌＤｉｐｏｌｅ，ＩＤ）的现象，并发生能带移动或者弯曲。如图??１－１（ｂ）所示，界面偶极大小为ＩＤ。有机分子的能级结构会发生相应的改变，ＨＯＭＯ??和ＬＵＭＯ会发生轻微移动，金属费米能级在有机分子带隙处的位置也发生相应??的变化。??２??

其初衷是为了能够调整硅表面的电子性质，能够提高电子在界面处的传输效??率［６５，６６］。其原理是通过不饱和分子与Ｓｉ上的悬挂键发生环加成反应，解离反应，??或者是其它机制反应来实现成键［２２—２４，６７’６８］。图１－?３是Ｓｉ（ｌｌｌ）７Ｘ７表面化学吸附??含有不饱和键（包括芳香烷烃）有机分子的示意图。当非烷烃类含不饱和键的有??机分子在Ｓｉ（ｌｌｌ）７Ｘ７上时，通过适当的处理，这些不饱和键

??图１－２：文献中通过光电子能谱和反光电子能谱获得的一些有机分子界面间的能级图与界面偶??极。??１．３．２．成键界面??无机－有机成键界面最具代表性的是硅（Ｓｉ（ｌｌｌ）、Ｓｉ（１００）等）与有机分子成??键，其初衷是为了能够调整硅表面的电子性质，能够提高电子在界面处的传输效??率［６５，６６］。其原理是通过不饱和分子与Ｓｉ上的悬挂键发生环加成反应，解离反应，??或者是其它机制反应来实现成键［２２—２４，６７’６８］。图１－?３是Ｓｉ（ｌｌｌ）７Ｘ７表面化学吸附??含有不饱和键（包括芳香烷烃）有机分子的示意图。当非烷烃类含不饱和键的有??机分子在Ｓｉ（ｌｌｌ）７Ｘ７上时
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本文编号：2844234