有机半导体薄膜的结构和性能的强磁场调变及同步辐射表征

In recent years, considerable attentions have been paid to the performance enhancement of organic electronic device. It has been widely acknowledged that molecular orientation and packing mode largely determine the device performance. Close packing of molecules with the molecular plane oriented at a particular direction can improve the carrier mobility and efficiency of the device. In this project, high magnetic fields will be applied for the modulation of the molecular orientation in organic semiconductor films, and further of the property of the films. Synchrotron-based photoemission spectroscopy (PES), near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and core-hole clock spectroscopy will be used to investigate systematically the molecular orientation, electronic structure and charge transfer dynamics of the organic films before and after the application of the high magnetic fields. It is expected that the profound understanding for the modification mechanism on the molecular orientation and electronic properties by high magnetic fields will promote the application of High Magnetic Field and be benefit to the rational design of novel organic devices. In addition, the analysis on the relationship between the molecular orientation and the electronic properties in organic films is crucial for clarifying the working principle and optimizing the device performance.

改善有机电子学器件的性能一直是研究人员最感兴趣的问题。有机电子器件的性能受有机薄膜分子取向以及有机分子堆积方式的影响，薄膜内沿特定方向的有序密堆积能有效提高有机薄膜中载流子的传输速率，进而提高器件的效率。本项目拟利用磁场对有机分子薄膜内的分子取向进行调节，进而调变有机薄膜的性能，利用同步辐射X射线近边吸收精细结构谱(NEXAFS)、光电子能谱(PES)和芯能级空穴时钟谱等技术，对调节前后薄膜的分子取向和电子结构、电荷传输动力学进行系统研究，考察磁场对分子取向以及电学性能的调节机制，推动强磁场大科学装置在有机电子学上的应用，为新型器件的设计提供实验方法和理论依据。同时通过综合分析，明确分子取向与电学性能之间的关系，对于深入理解有机器件的工作机制以及优化器件性能有非常重要的意义。

有机分子堆积方式，特别是有机薄膜中分子取向对有机光电器件的性能起着决定性的作用，因此一直是研究人员非常感兴趣的问题。利用强磁场精确地控制和调变磁性有机分子的聚集方式，对于深入理解有机器件的工作机制以及优化器件性能有非常重要的意义。. 通过本项目的实施，基于管状超导强磁体，设计和制作了“小型强磁场单分子束外延系统”，建立了在强磁场环境下磁性有机薄膜生长和调控的方法。同时基于同步辐射光电发射(SRPES)和近边X射线吸收(NEXAFS)等技术，建立了有机半导体薄膜中分子取向的评价方法。对FePc/Si(Cu)模型体系的研究结果表明，在所实施的条件下，磁场对有机分子束沉积方法生长的有机薄膜中分子的取向有比较明显的调变作用，为进一步深入研究磁性有机分子在强磁场中的动力学行为奠定了坚实的基础。同时也为强磁场与同步辐射大科学装置深层次的交叉和结合迈出了坚实的一步。本项目所取得的成果，为强磁场和同步辐射用户提供又一种新的实验平台。. 除此之外，在本项目的资助下，还系统地研究了：FePc与MoOx/ITO界面的电子结构、相互作用的本质以及MoOx作为缓冲层对界面电荷传输所起的促进作用；生长温度对PTCDA有机纳米结构及其光、电性能的调变作用，发现PTCDA单晶纳米棒的电导率比薄膜提高约3个量级；有机分子TPA与TiO2(110)界面结构和相互作用等。这些结果为深入研究有机半导体相关的新的科学问题奠定了一定的基础。