有机半导体及石墨烯在金属表面的生长及其性质研究

发布时间：2020-08-24 07:34

【摘要】：有机半导体器件正因其制备成本低、材料种类丰富和结构众多、易于大面积制备且工艺简单、柔软轻便等优点而越来越受到广泛的关注。大多数有机半导体器件是基于有机薄膜/金属界面工作的,薄膜在金属上的生长结构以及界面之间的电子结构都将会对器件的性能产生影响,例如提高有机薄膜的生长有序度将会影响载流子在薄膜中的迁移率；而有机半导体与金属之间的能级排列将会影响界面间的载流子注入。因此,研究有机薄膜/金属界面对于有机半导体器件性能的提升具有指导意义。本论文研究的材料主要有两种：第一种为金属酞菁材料。金属酞菁材料因其具有较大的共轭平面、稳定的化学性质以及良好的太阳光吸收能力等特点而在有机场效应管以及有机光伏器件研究领域受到了广泛的关注。第二种材料为石墨烯材料。作为一种新型的二维材料,石墨烯中引人瞩目的奇特性质,例如半整数量子霍尔效应、极高的载流子迁移率、双极性场效应以及极高的强度等,使其在各个领域都具有很好的应用前景。比如,通过化学掺杂或在石墨烯上吸附特定的原子、分子可以对石墨烯的带隙进行调制,从而利用其室温下长弹道载流子自由程制备出高性能的场效应管；利用其极高的载流子迁移率,可以通过将其作为受体材料与有机半导体给体材料共混,制备出高性能的有机太阳能电池；可以利用其透明、高强度的特性制备触摸屏、有机太阳能电池、有机发光二极管中的透明电极；或是利用石墨烯的高稳定性,将其在各个金属衬底上形成的摩尔结构作为纳米结构生长的模板。本论文首先利用角分辨紫外光电子能谱(ARUPS)以及密度泛函理论(DFT)计算对酞菁钴(CoPc)/Au(111)吸附体系的电子结构进行了分析。通过比较ARUPS实验数据以及DFT计算结果,可以将ARUPS谱图中的各个谱峰与CoPc的分子轨道进行联系。CoPc/Au(111)界面之间的电荷转移以及相应的自旋密度变化说明界面之间存在较强的相互作用。进一步基于第一性原理计算得出的输运性质研究表明,对于CoPc单分子,在某些分子能级处将会出现电导共振峰；而CoPc分子与Au(111)衬底在特定能量范围之内较大的能态叠加导致在相应能量范围内对体系的电导调制。接着,我们利用扫描隧道显微镜(STM)以及DFT计算来对酞菁铁(FePc)在Ag(110)衬底上吸附结构的转变进行了研究。我们发现当FePc分子吸附在Ag(110)衬底上,FePc分子会出现两种吸附结构。进一步基于Nudged Elastic Band (NEB)方法的研究模拟出了在实验上间接观测到的吸附结构之间的相互转化,并得出转化势垒为0.236eV。之后,同样利用STM以及DFT计算,我们研究了p-Terphenyl分子在Ru(0001)表面的吸附结构及其在Ru(0001)表面的催化下转化成石墨烯的过程。将样品退火至450℃之后,在样品表面会出现纳米碳片与p-Terphenyl分子相互共存的情况。这些纳米碳片是由脱氢后的p-Terphenyl分子形成的。之后,再将样品退火至480℃,样品表面的纳米碳片进一步转化成石墨烯。通过DFT计算,我们发现单个p-Terphenyl分子的吸附能为5.99eV,说明p-Terphenyl与Ru(0001)衬底之间有着很强的相互作用。而双分子吸附的计算结果表明,分子间相互作用会使得单个分子的吸附能增大0.28eV。进一步基于NEB理论的模拟计算表明分子间相互作用还会对吸附分子的脱氢过程产生影响,将脱氢势垒从1.52eV升高至1.64eV。最后,我们研究了CoPc吸附在石墨烯/Ru(0001)衬底上的吸附性质。当CoPc吸附在石墨烯/Ru(0001)衬底上时,CoPc分子会出现轻微的变形并向Ru(0001)衬底转移大约0.084e-。当CoPc分子的覆盖度达到一个单层时,CoPc分子会在石墨烯表面形成周期性的Kagome品格。石墨烯中缺陷的出现将会使得Ru(0001)与石墨烯之间的相互作用变强。这一变强的相互作用使得吸附在缺陷上的CoPc的分子能级向着低结合能处平移,继而使得在完整与有缺陷石墨烯上的CoPc分子的中心形貌出现差异。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN303

【参考文献】