石墨烯－有机半导体界面结构及结构与性能关系

Graphene based carbon nanomaterials represent the most promising candidates in replaceing ITO for transparent thin film applications in future flexible, low cost devices. In this project we aim at the investigation of graphene-semiconductor interface using scanning probe microscopy in combination with spectroscopic techniques such as Raman spectroscopy, extremely focuses on the influence of defects, domain boundaries, ripple and wrinkles, PMMA residues on the interfacial structure of organic semiconductors and its effects on the film structure and properties of organic semiconductors. The structural information with atomic and nanoscale precision obtained with scanning tunneling microscopy/spectroscopy will be used for the DFT and molecular mechanics simulations to furthur understand the mechanism of the influence of graphene defects on the interfacial structure and the film properties.

本项目设想以CVD法和氧化石墨还原法制备透明导电石墨烯薄膜电极，以扫描探针显微技术结合光谱技术为主要手段研究几种常见的有机半导体的界面组装结构，重点研究石墨烯薄膜中缺陷、掺杂、晶界、皱褶结构等对有机半导体界面吸附结构和行为的影响以及界面结构与薄膜、器件性能的关系；将石墨烯薄膜转移到Si/SiO2、聚合物薄膜等不同基底上，研究基底－石墨烯相互作用对石墨烯电子性质及界面组装结构的影响；采用扫描隧道显微镜、扫描隧道谱结合密度泛函、分子力学计算研究石墨烯中晶格缺陷、皱褶结构、晶界等对石墨烯－有机半导体界面相互作用的影响，揭示石墨烯/有机半导体界面结构影响电子传输性能的可能机理

石墨烯作为一种单原子层厚度的二维材料，其六边形蜂窝状晶格全部由sp2杂化的碳原子组成，其共轭结构使之具有优异的电子传输、光学、机械和导热性能。石墨烯良好的导电性使之成为太阳能电池和显示器件中理想的透明电极材料。研究石墨烯/有机半导体的界面结构是探索影响有机光电器件性能的关键因素和寻找提高性能的有效途径的基础。本项目中我们以CVD法生长的石墨烯为主要研究对象，结合还原的氧化石墨烯和高定向热解石墨，采用扫描隧道显微镜结合DFT理论计算、蒙特卡洛模拟、紫外可见吸收光谱、X射线光电子能谱等研究了多种有机和聚合物半导体材料的吸附和界面结构，阐明了影响这些半导体界面结构的因素。采用实时生长的办法实现了石墨烯/希夫碱二维聚合物复合材料的室温生长，较为系统地研究了其生长过程及影响因素。利用DFT计算研究了石墨烯/希夫碱二维聚合物复合材料的能带结构及相互作用。计算得到的能带结构和电荷密度分布进一步证实了表面COFBTA-PDA和石墨烯之间有耦合作用。此外，自由的表面COFBTA-PDA以及G-表面COFBTA-PDA复合物的电荷密度都是高度离域的。将电化学活性基团引入石墨烯/二维聚合物复合材料，制备了具有高电容容量的电极材料，在电流密度为0.025 mA/cm2时容量为32.6mF/cm2，同时利用石墨烯的高导电性显著提高了电化学活性物质的利用率。