几种典型的有机半导体超薄膜界面的结构与输运特性的原位研究

The performance and lifetime of devices based on organic semiconductor ultrathin films depend critically on molecular orientation and electronic structures of the interfaces. However, most of the current studies focus on the general effect of transport property, but not provide insight into the mechanism such as the effect of molecular orientation and interfacial state et al. Therefore, it’s essential to comprehensively study the influence of organic crystal structure, electronic binding state, molecular dipole and electronic structure at the interface of some typical organic semiconductors, such as pentacene and thiophene derivatives, on the transport properties of devices. By combing EFM, KPFM and STM under ambient and ultrahigh vacuum environment together with photoluminescence and Raman spectroscopy, we will be able to provide a clear physical picture of the influences of various dielectric layers and 2-D materials, and the interactions of the molecular orientation of organic molecular ultrathin films, interfacial structures and transport properties of devices, which will thus aid in improving the performance of organic electronic devices theoretically and experimentally in the future.

有机半导体超薄膜器件的性能往往取决于薄膜在界面处的分子取向和电子结构。目前的研究工作大多关注于器件的宏观电学测量，对界面处的结构与界面态等微观机制认识有限。本申请项目拟在器件运行的过程中系统原位的研究几种典型的有机导电薄膜，如并五苯和噻吩的衍生物，在界面处的电子束缚态、分子偶极、电子能级等微观过程对器件输运特性的影响。通过采用大气和超高真空环境下的静电力显微镜、开尔文探针力显微镜和扫描隧道显微镜并结合光致荧光、拉曼光谱等技术，揭示几种典型的有机半导体超薄膜在不同的介电层和二维结构的界面附近的分子取向、界面结构与输运特性的微观联系，为有机半导体超薄膜器件的制备和性能提升提供实验和理论依据。

本研究专注于常见的有机半导体薄膜和单晶纳米片的输运/光电特性的机理研究。首先，采用蒸镀和气相合成的方法在Si/SiO2基底上制备出了厚度可控、不同结晶的两种有机分子薄膜和高质量单晶纳米片（红英烯和酞菁铜），并用原子力显微镜及光学技术对这两种有机分子薄膜及其单晶微米片的表界面性质对其输运及光电特性的影响进行了系统的研究。首先我们发展了一种基于导电原子力显微镜和静电力显微镜的技术用于原位表征在电场作用下的超薄固态薄膜表界面电荷运动和局域电子态的检测。利用该技术，我们原位解析了氧化物忆阻器在工作过程中表界面的离子运动，从而首次从实验上澄清了氧空位导电细丝的工作机制；此外，我们利用该项技术原位研究了金属阳离子型忆阻器的两个重要界面的氧化还原反应，为该忆阻器的微观运行机制从实验上提供了证据。在此基础之上，我们还将光致发光、拉曼技术等光学技术与该方法相结合，研究了界面电荷转移对于不同厚度的有机单晶纳米片电学特性的影响，为有机单晶在20nm以下出现反常的塞贝克系数增强提供了在微观尺度提供了可能性的物理机制。最后，我们仔细研究了有机单晶与二维材料形成的异质结界面的电荷转移、电子态耦合等对于异质结输运及光电特性的影响。上述结果为进一步研究超薄有机薄膜及单晶的电学相关的特性，包括输运、热电以及光电特性提供了很好的基础和平台，本研究工作拓展了扫描探针技术在纳米尺度电学性质表征领域的应用，丰富了纳米尺度热电、光电效应和有机半导体/金属以及有机半导体/二维材料界面电荷转移的实验方法和理论，发展了相关的实验方法，为高性能纳米尺度电学、热电和光电特性奠定了良好的实验基础。