有机/氧化物异质界面电子结构的同步辐射谱学研究

金属氧化物半导体因高迁移率、宽带隙和环境稳定等优点，近来广泛应用于.有机-无机杂化全固态光电器件，但目前这类器件的量子效率仍偏低。这与有机/氧化物界面结构复杂密切相关，如新界面电子态的产生及分子吸附结构变化等因素。本项目围绕共轭有机探针分子与单晶模型氧化物的界面形成过程，利用同步辐射光电子能谱技术（UPS/XPS）和软X射线近边吸收谱学技术(NEXAFS)，原位系统研究有机/氧化物异质界面的相互作用和电子能级结构。通过表面氧缺陷及有机自组装对氧化物表面的可控修饰，考察这些调控作用对界面电子结构和表面分子吸附取向结构的影响，并与原型器件的光电性能进行关联，以期寻求到制约有机/氧化物异质界面载流子传输或分离的内在热力学和动力学因素。这为新型有机氧化物杂化全固态有机光电器件的构筑和优化提供理论依据，同时也对有机电子学的发展具有重要科学意义。

有机-氧化物复合光电器件在有机平板显示、太阳电池及柔性电子线路等领域有着广泛潜在应用，它集成了有机材料的柔性、质轻、结构可控和金属氧化物材料的高迁移率与稳定性等优点，但有机-氧化物异质界面的形成对载流子的有效分离和快速传输有着重要影响。我们工作的重点就是研究有机-氧化物异质界面的电子结构，从分子（原子）层次上揭示界面能级排列关系和界面相互作用本质，寻求载流子传输与界面电子结构的内在关系，为解决有机光电器件载流子传输或转化效率不高等最基本挑战提供热力学依据。本项目完成的主要工作如下：（i）发展了基于部分电子产额探测模式（PEY）的软X射线近边吸收谱学（NEXAFS）方法，并制作成功基于MCP电子探测器。（ii）利用同步辐射光电子能谱技术深入研究了有机羧酸分子自组装吸附修饰金红石TiO2模型表面的电子结构和界面电子能级排列关系，揭示了有机酸/氧化物界面电子结构和界面能级排列类型对界面的电荷传输性质的重要影响。结合密度泛函理论计算，首次开展了TiO2(110)-(1x2)重构表面的分子吸附性质实验研究，有机酸分子吸附修饰明显改变了TiO2重构表面（氧缺陷浓度更高）的电子态密度分布。这一工作加深了对TiO2重构表面结构和性质的理解。（iii）利用同步辐射光电子能谱和软X射线近边吸收谱学研究了酞菁类分子与MoO3薄膜的界面电子结构和相互作用，发现了部分还原MoO3-x（有氧空位生成）更有利于界面电荷的传输的电子结构机制，并被Au/FePc/MoO3-x/ITO模型器件输运性质结果所证实；（iv）利用同步辐射软X射线谱学技术拓展研究了VO2单晶薄膜的金属-绝缘体相变（MIT）机制，通过氮原子掺杂或界面电荷注入可以实现电荷调控的VO2更低温MIT相变；（v）利用X射线吸收过程中产生的芯空穴寿命时钟（core-hole clock）技术，发展了同步辐射软X射线谱学在有机/氧化物界面电荷传输动力学方面的研究。