PDF《(C8-BTBT) on Cu (100)》

1 引言有机半导体材料是具有广阔应用前景的功能 材料, 近三十年来得到广泛的研究, 其良好的机 械[1] 、 光学 [2] 、 电学 [3] 和磁学 [4] 性能, 在制备低成 本、高柔性、大面积电子器件, 如有机发光二极 管[5,6] 、 有机光伏器件 [7] 以及有机场效应管等 [8?10] 方面有其独特的优越性. 但是相比于传统硅基半 导体, 有机半导体材料最大的瓶颈是其载流子迁移 率比较低, 如1987 年Koezuka 等[11] 利用聚噻吩得 到的迁移率只有 10?6 ―10?5 cm2 /Vs. 因此, 大量 的科研工作都围绕着提高载流子迁移率而展开, 比 如从薄膜制备方法、 合理选择材料分子结构和增加 官能团等 [12?14] 方面入手. 目前得到的具有最高载 流子迁移率的有机材料是 2, 7-二辛基 [1] 苯并噻吩 并[3, 2-b] 苯并噻吩 (C8-BTBT), 由Yuan 等[12] 将C8-BTBT 与聚苯乙烯混合溶液采用简单的偏心旋 涂方法制备获得, 迁移率达到

43 cm2 /Vs, 接近单 晶硅的迁移率. 结合分子自组装工艺 [15,16] 以及喷 墨打印技术 [17] 制备基于 C8-BTBT 的场效应管器 件, 也成为新的研究热点, 而这种新型高迁移率材 料也为有机自旋电子器件的研究提供了取得突破 进展的可能性. 一般而言, 半导体器件的整体性能不仅受到各 个功能层性能优劣的影响, 各个功能层之间的界面 更是不容忽视的影响器件性能的重要因素. 对于有 机半导体器件, 有机层内分子取向、 排列有序度、 堆 垛方式等对有机分子层内的载流子传输产生重要 影响. 研究发现, 含有共轭 π 键的平面有机分子形 ? 国家自然科学基金 (批准号: 51173205, 11334014) 和教育部留学回国人员科研启动基金资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 157901-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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157901 成的薄膜, 其迁移率有很强的各向异性 [18] , 甚至在 π-π 堆垛方向迁移率要高于其他方向几个量级 [19] . 因此器件设计应考虑使其分子排列方向有利于载 流子输运过程. 然而在界面处, 基底与有机分子的 作用与有机分子之间的作用相互竞争, 可能会导致 异于其体相排列的界面相. 例如 He 等[20] 利用扫 描隧道显微镜 (STM) 和原子力学显微镜 (AFM) 系 统研究了 C8-BTBT 在石墨烯、 氮化硼衬底上的形 貌和分子取向, 发现界面第一层 C8-BTBT 平躺于 基底, 而第二层后, 分子开始竖直生长. 这种异于 体相的界面相会显著影响影响载流子的输运过程. 目前很多研究是基于界面形貌对载流子输运过程 的影响 [21] . 但是, 从根本上决定界面输运过程的是 界面电子的能级结构. 因此, 结合形貌学以及能级 结构表征方法理解载流子的输运行为, 是深刻理解 器件性能并且指导器件设计的根本. 我们前期曾 结合光电子能谱以及形貌学测量研究了C8-BTBT 应用于自旋器件的可能性, 发现直接生长于磁性金 属Ni 衬底上的 C8-BTBT 发生了催化脱硫反应, 导 致活性层成分变化, 不利于载流子输运 [22] . 因此, 设计有机自旋器件时, 需要考虑在磁性金属衬底 与C8-BTBT之间加入缓冲层以防止发生界面不可 逆的化学反应. 由于铜单晶的晶格结构与晶格常 数与磁性金属镍非常匹配, 是很好的缓冲层材料, 因此我们研究了 C8-BTBT 在Cu(100) 上的界面吸 附过程和能级结构演化. 我们发现在 Cu(100) 上C8-BTBT 没有发生催化脱硫反应, 说明铜可以作 为磁性电极与 C8-BTBT 之间的缓冲材料. 第一层 的分子平躺吸附于 Cu(100) 上形成稳定的物理吸 附. 随着厚度的增加, 分子取向转为直立于薄膜平 面, 生长模式转为岛状生长模式. 分子取向的变化 导致大于