有机分子在金属单晶表面的吸附结构和电子性质研究

摘要

基于有机半导体的电子器件具有轻便柔软、驱动电压和功耗低、响应速度快、材料成本低的特点，具有颠覆传统硅基半导体材料的潜力，已经开始走上了商业化的道路。但其电输运效率低、性能不稳定的缺点，限制了它的应用。目前有关有机半导体的基础理论尚不成熟，从而导致材料研发、器件结构和性能改进都缺乏理论指导。大多数有机器件都包含有机薄膜-金属界面体系，界面处的能级排列决定了载流子的注入和迁移效率，改善界面结构是改进有机器件性能的关键。通过分析有机分子在金属表面吸附生长的结构，特别是第一个分子单层的自组织生长过程，研究形成有序有机吸附层的内在规律以及有机/金属的界面电子态，对于设计与优化高效稳定实用的有机器件具有重要的现实指导意义。
　　本论文中，首先，我们结合了扫描隧道显微镜(STM)实验和基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理模拟计算的手段对perylene分子在Cu(100)表面的吸附生长行为进行了系统研究。实验结果显示在单分子层覆盖度下，perylene分子平躺在表面上，显示一定的长程序，存在两种有序吸附结构畴区，且这两种结构中吸附分子的长轴分别沿[011]和[011]晶向。理论计算表明分子处于顶位吸附并且分子与衬底间距为0.26nm时是最稳定的。最终我们给出了c(8×4)和c(8×6)这两种perylene/Cu(100)吸附结构的模型，这两种有序吸附结构共存于有序吸附区域中。研究结果表明perylene分子在Cu(100)表面的分子-衬底和分子-分子相互作用都比较弱。
　　然后，我们采用紫外光电子能谱(UPS)的实验方法和DFT模拟计算对酞菁铁(FePc)在Cu(110)表面的吸附生长进行了研究。随着FePc的沉积，UPS曲线出现了与FePc分子有关的四个谱峰α、β、γ和δ，分别位于费米能级下3.42，5.04，7.36和10.28 eV处。结合密度泛函计算分析，谱峰α是主要来源于Fe3d和C2p电子，Cu衬底与分子Fe3d之间的电荷转移较大，导致分子与衬底的相互作用较强。角分辨紫外光电子能谱(ARUPS)表明在单层分子覆盖度时，FePc分子平面与Cu(110)衬底表面平行。通过比较一系列结构优化计算的结果，我们得出最稳定的吸附构型为吸附高度0.260nm，吸附取向与衬底[110]晶向成45°角的顶位吸附。以上结果无疑使我们对有机/金属界面和有机半导体在金属表面生长机制有了更深入的理解。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 有机薄膜的制备方法

1．2．1 有机分子束沉积和有机分子束外延

1．2．2 溶液旋涂法

1．2．3 分子自组装

1．3 有机薄膜的生长和吸附结构

1．3．1 生长模式

1．3．2 分子吸附位置的描述

1．3．3 有序结构的描述

1．4 有机半导体界面的能级和电子态

1．4．1 界面的能级模型

1．4．2 界面的电子态

1．4．3 加工工艺对界面电子态的影响

1．5 本论文课题的研究内容

参考文献

第二章 实验装置和计算方法

2．1 超高真空系统

2．2 光电子能谱

2．2．1 光电子能谱基本原理

2．2．2 光源的结构

2．2．3 能量分析器及检测器

2．3 低能电子衍射

2．4 扫描隧道显微镜

2．4．1 STM的工作原理

2．4．2 STM的工作模式

2．4．3 STM的优点及应用

2．5 密度泛函计算

2．5．1 密度泛函的理论基础

2．5．2 交换关联泛函

2．5．3 计算软件介绍

2．5．4 密度泛函计算的局限

参考文献

第三章 Perylene分子在Cu(100)表面的吸附生长研究

3．1 引言

3．2 实验和理论计算的方法

3．2．1 实验方法

3．2．2 理论计算方法

3．3 结果与讨论

3．4 小结

参考文献

第四章 FePc分子在Cu(110)表面的吸附结构和电子态

4．1 引言

4．2 实验和理论计算的方法

4．2．1 实验方法

4．2．2 理论计算方法

4．3 结果与讨论

4．4 小结

参考文献

第五章 结论与展望

攻读博士期间发表的论文

致谢