富勒烯(C60,PC61BM)/金属界面电子结构和几何结构研究

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有机电子器件中,有机半导体与金属电极之间的能级排布直接影响着界面处间的载流子注入(输运),从而对器件的性能产生决定性的影响。本文利用同步辐射光电子能谱(SRPES)、密度泛函理论(DFT)计算和扫描隧道显微镜(STM)对应用广泛的n型有机半导体C60及其衍生物PC61BM与金属之间的界面的电子结构和几何结构进行了深入的研究。  根据Ag(100)表面C60单层到多层膜的PES数据,我们首先发现了金属衬底的原子能扩散进C60厚膜中,并且可能充当了薄膜中的n型掺杂物。在分析PES数据得到了界面能级图后,我们提出用双子界面(TSI)模型加上整数电荷转移(ICT)模型来描述C60/金属界面。C60最底层(BML)与金属衬底间的子界面为费米能级一致;C60 BML与C60多层膜之间子界面的能级调整由ICT模型决定,对于我们研究的体系是真空能级一致的。我们在Au(111),Ag(111),Al(111)和Al(100)衬底上进行了同样的电子结构研究,进一步证实了我们提出的TSI+ICT模型。根据TSI+ICT模型,器件中的C60/金属电极界面的电学性能与BML的功函数以及第二层分子的HOMO、LUMO能量位置直接相关,与清洁金属衬底的功函数没有直接关系。  我们对单层C60/金属界面进行了DFT理论研究,重点关注衬底重构(被C60挖出凹坑)以及挖出的金属原子(称为填隙原子)对几何结构和电子结构的影响。发现重构和填隙原子对样品功函数有重要影响,并且导致更多的电子从金属转移给C60。  最后,我们用STM研究了PC61BM/Au(111)的几何结构。在非典型重构的Au(111)表面观测到了三种不同的纯相的PC61BM单层膜,分子密度从小到大分别为紧密排列的笔直双分子排(CSMDR)单层膜,无序相单层膜和六角密排单层膜。除了范德瓦尔斯力和氢键,边链的位阻效应对高覆盖度样品的分子排列起重要作用。三种单层膜内分子取向规则不一样,考虑到PC61BM分子具有本征偶极矩,我们可以预言金属表面PC61BM的不同排列结构将导致界面偶极矩的很大变化。
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