有機(jī)半導(dǎo)體及石墨烯在金屬表面的生長(zhǎng)及其性質(zhì)研究.pdf

1、有機(jī)半導(dǎo)體器件正因其制備成本低、材料種類(lèi)豐富和結(jié)構(gòu)眾多、易于大面積制備且工藝簡(jiǎn)單、柔軟輕便等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。大多數(shù)有機(jī)半導(dǎo)體器件是基于有機(jī)薄膜/金屬界面工作的，薄膜在金屬上的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)以及界面之間的電子結(jié)構(gòu)都將會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響，例如提高有機(jī)薄膜的生長(zhǎng)有序度將會(huì)影響載流子在薄膜中的遷移率;而有機(jī)半導(dǎo)體與金屬之間的能級(jí)排列將會(huì)影響界面間的載流子注入。因此，研究有機(jī)薄膜/金屬界面對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體器件性能的提升具有指導(dǎo)意義。

2、>　　本論文研究的材料主要有兩種:第一種為金屬酞菁材料。金屬酞菁材料因其具有較大的共軛平面、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及良好的太陽(yáng)光吸收能力等特點(diǎn)而在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管以及有機(jī)光伏器件研究領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。第二種材料為石墨烯材料。作為一種新型的二維材料，石墨烯中引人矚目的奇特性質(zhì)，例如半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、極高的載流子遷移率、雙極性場(chǎng)效應(yīng)以及極高的強(qiáng)度等，使其在各個(gè)領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用前景。比如，通過(guò)化學(xué)摻雜或在石墨烯上吸附特定的原子、分子可以對(duì)石墨

3、烯的帶隙進(jìn)行調(diào)制，從而利用其室溫下長(zhǎng)彈道載流子自由程制備出高性能的場(chǎng)效應(yīng)管;利用其極高的載流子遷移率，可以通過(guò)將其作為受體材料與有機(jī)半導(dǎo)體給體材料共混，制備出高性能的有機(jī)太陽(yáng)能電池;可以利用其透明、高強(qiáng)度的特性制備觸摸屏、有機(jī)太陽(yáng)能電池、有機(jī)發(fā)光二極管中的透明電極;或是利用石墨烯的高穩(wěn)定性，將其在各個(gè)金屬襯底上形成的摩爾結(jié)構(gòu)作為納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的模板。
　　本論文首先利用角分辨紫外光電子能譜(ARUPS)以及密度泛函理論(DFT)計(jì)算

4、對(duì)酞菁鈷(CoPc)/Au(111)吸附體系的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。通過(guò)比較ARUPS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及DFT計(jì)算結(jié)果，可以將ARUPS譜圖中的各個(gè)譜峰與CoPc的分子軌道進(jìn)行聯(lián)系。CoPc/Au(111)界面之間的電荷轉(zhuǎn)移以及相應(yīng)的自旋密度變化說(shuō)明界面之間存在較強(qiáng)的相互作用。進(jìn)一步基于第一性原理計(jì)算得出的輸運(yùn)性質(zhì)研究表明，對(duì)于CoPc單分子，在某些分子能級(jí)處將會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)共振峰;而CoPc分子與Au(111)襯底在特定能量范圍之內(nèi)較大的能態(tài)疊加

5、導(dǎo)致在相應(yīng)能量范圍內(nèi)對(duì)體系的電導(dǎo)調(diào)制。
　　接著，我們利用掃描隧道顯微鏡(STM)以及DFT計(jì)算來(lái)對(duì)酞菁鐵(FePc)在A(yíng)g(110)襯底上吸附結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)FePc分子吸附在A(yíng)g(110)襯底上，F(xiàn)ePc分子會(huì)出現(xiàn)兩種吸附結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步基于Nudged ElasticBand(NEB)方法的研究模擬出了在實(shí)驗(yàn)上間接觀(guān)測(cè)到的吸附結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化，并得出轉(zhuǎn)化勢(shì)壘為0.236eV。
　　之后，同樣利用STM以及

6、DFT計(jì)算，我們研究了p-Terphenyl分子在Ru(0001)表面的吸附結(jié)構(gòu)及其在Ru(0001)表面的催化下轉(zhuǎn)化成石墨烯的過(guò)程。將樣品退火至450℃之后，在樣品表面會(huì)出現(xiàn)納米碳片與p-Terphenyl分子相互共存的情況。這些納米碳片是由脫氫后的p-Terphenyl分子形成的。之后，再將樣品退火至480℃，樣品表面的納米碳片進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成石墨烯。通過(guò)DFT計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)p-Terphenyl分子的吸附能為5.99eV，說(shuō)明p-

7、Terphenyl與Ru(0001)襯底之間有著很強(qiáng)的相互作用。而雙分子吸附的計(jì)算結(jié)果表明，分子間相互作用會(huì)使得單個(gè)分子的吸附能增大0.28eV。進(jìn)一步基于NEB理論的模擬計(jì)算表明分子間相互作用還會(huì)對(duì)吸附分子的脫氫過(guò)程產(chǎn)生影響，將脫氫勢(shì)壘從1.52eV升高至1.64eV。
　　最后，我們研究了CoPc吸附在石墨烯/Ru(0001)襯底上的吸附性質(zhì)。當(dāng)CoPc吸附在石墨烯/Ru(0001)襯底上時(shí)，CoPc分子會(huì)出現(xiàn)輕微的變形并向R