二氧化钒作为有机半导体的高功函空穴注入电极的研究
发布时间：2020-05-20 20:43
【摘要】：二氧化钒(VO_2)是一种相当独特的相变金属氧化物,它具有金属-绝缘体(Metal-Insulator,MI)一级可逆相变的特性。在绝缘相的结构为单斜结构,在金属相的结构为四方金红石结构。MI相变发生在340 K附近,在相变过程中电导率发生5个数量级的突变。同时,相变温度可以通过离子掺杂和外部应力调控,相变过程甚至可以发生在室温以下。由于这些显著的特性,VO_2在光开关器件,存储器件和智能窗等实际应用中具有很大的潜力。单斜相VO_2的能隙为0.6 eV,通常被用于半导体材料。对于一些金属氧化物,氧空位的存在会影响功函。例如,氧缺陷的存在可以使MoO_x和WO_x(x3)的功函达到6.9 eV(没有氧缺陷时的功函为5.3 eV)。具有高功函的有机半导体的(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)HOMO能级可以发生费米钉扎,实现欧姆接触,因此这类材料通常是有机电子器件的理想的空穴注入电极。同样,VO_2的功函也会受氧空位的影响,但是文献报道的功函数值低于5.7 eV,因此VO_2很少应用于有机半导体的空穴注入电极。而我们研究发现,原子级清洁和符合化学计量数的VO_2的功函可以达到6.7 eV,是可以作为有机半导体的空穴注入电极的。本文的工作分为两部分:第一项工作我们利用X射线光电子能谱(X-ray Photoemission Spectroscopy,XPS)和真空紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoemission Spectroscopy,UPS)研究了在α-Al_2O_3基底上用脉冲激光沉积的VO_2薄膜。我们发现,VO_2的表面电子结构由MI相变特性和氧空位的密度决定,MI相变特性和氧空位都受超高真空(Ultrahigh Vacuum,UHV)条件下的温度的影响。原子级清洁和符合化学计量的VO_2表面是绝缘的,具有高达6.7 eV的功函。化学计量数的VO_2在UHV中加热至相变温度以上诱导产生金属相,同时形成氧缺陷(在本课题中高达6%),但功函保持6 eV。为了证明VO_2作为有机半导体的空穴注入电极的适用性,我们研究了它与典型有机空穴传输材料N,N'-二(1-萘基)-N,N'-二苯基-(1,1联苯)-4,4'-二胺(N,N’-di(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine,NPB)的能级排布。NPB界面发生了强烈的费米能级钉扎和能级弯曲,为空穴注入提供欧姆接触。第二项工作中,我们将VO_2薄膜经过不同条件的溅射和氧气或无氧退火处理后,通过测量XPS和UPS获得VO_2薄膜的电子结构包括芯能级电子的变化,价带演变和功函变化等基本信息。我们发现,溅射和在真空环境中退火会在VO_2表面引入较低氧化态的钒,导致费米能级附近的V 3d相关能带的态密度增加。然而,在O_2环境下退火会得到符合化学计量的VO_2,其具有高达6.7 eV的功函,因此VO_2的功函受表面上氧和钒(O/V)原子比的显著影响。
【图文】：
构中表现出从绝缘态的单斜晶相到金属态的金红石相这一现象在 50 多年前由 Westman 和 Morin 发现[29, 3量为 82.94 g/mol。其在低于 340 K 时表现为单斜相，40 K 时为金红石相，密度为 4.653 g/cm3[31]。如图 结构，包含两个晶胞，每个晶胞含有 2 个钒和 4 个氧排列，即钒原子形成四方晶格，被氧八面体包围。当时，钒原子之间形成二聚体并且二聚体沿着金红石 c的扰动，而钒原子的移动量较大，，这种结构变化导致（单斜晶胞含有 4 个钒和 8 个氧原子）[32]。除了通过格结构外，两种晶相在拉曼光谱中都显示出了明显的拉曼活性声子模式[33-35]。相反，金红石相仅显示 光谱检测为非常宽的峰，如图 1-2 所示[34]。
图 1-2 VO2拉曼光谱[34]在相变温度前后 VO2的电导率变化高达五个数量级，标志的转变[37]。由于存在潜热和散热容，VO2的相变属于一阶+和 O2-离子的原子轨道以及相应的晶体结构，Goodenough 首子结构[38]。由于中心钒原子位于金红石结构中的氧八面体被八面体晶体场分裂成被一个电子占据的 eg和 t2g能带。t2gy2轨道以较低的能量分离出d∥，而其余的 t2g轨道被称为 π*[3中，两条能带都与费米能级重叠。但在单斜相中是不同的，其们沿金红石 cr轴的配对导致d∥带的分裂和 π*向高能量的移动odenough 认为由于结构扭曲导致的分裂足以引起带隙的产生VO2具有图 1-3（a）所示的单斜晶系结构。单斜晶相具有沿着4+
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
本文编号：2673176
【图文】：
构中表现出从绝缘态的单斜晶相到金属态的金红石相这一现象在 50 多年前由 Westman 和 Morin 发现[29, 3量为 82.94 g/mol。其在低于 340 K 时表现为单斜相，40 K 时为金红石相，密度为 4.653 g/cm3[31]。如图 结构，包含两个晶胞，每个晶胞含有 2 个钒和 4 个氧排列，即钒原子形成四方晶格，被氧八面体包围。当时，钒原子之间形成二聚体并且二聚体沿着金红石 c的扰动，而钒原子的移动量较大，，这种结构变化导致（单斜晶胞含有 4 个钒和 8 个氧原子）[32]。除了通过格结构外，两种晶相在拉曼光谱中都显示出了明显的拉曼活性声子模式[33-35]。相反，金红石相仅显示 光谱检测为非常宽的峰，如图 1-2 所示[34]。
图 1-2 VO2拉曼光谱[34]在相变温度前后 VO2的电导率变化高达五个数量级，标志的转变[37]。由于存在潜热和散热容，VO2的相变属于一阶+和 O2-离子的原子轨道以及相应的晶体结构，Goodenough 首子结构[38]。由于中心钒原子位于金红石结构中的氧八面体被八面体晶体场分裂成被一个电子占据的 eg和 t2g能带。t2gy2轨道以较低的能量分离出d∥，而其余的 t2g轨道被称为 π*[3中，两条能带都与费米能级重叠。但在单斜相中是不同的，其们沿金红石 cr轴的配对导致d∥带的分裂和 π*向高能量的移动odenough 认为由于结构扭曲导致的分裂足以引起带隙的产生VO2具有图 1-3（a）所示的单斜晶系结构。单斜晶相具有沿着4+
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 Jinying Wang;Shibin Deng;Zhongfan Liu;Zhirong Liu;;The rare two-dimensional materials with Dirac cones[J];National Science Review;2015年01期
2 张晋虎;付引霞;雷永香;;原子轨道能和体系总能量的关系[J];山西师大学报(自然科学版);1991年03期
本文编号：2673176
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