2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(C8-BTBT) 与M oS2界面的能级匹配与薄膜生长

2015-01-06牛冬梅谢海鹏曹宁通高永立

发光学报 2015年8期

吕路,牛冬梅*,谢海鹏,曹宁通,高永立,2

(1.中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所,湖南长沙 410083; 2.Department of Physics and Astronomy,University of Rochester,Rochester,NY14627,USA)

吕路1,牛冬梅1*,谢海鹏1,曹宁通1,高永立1,2

(1.中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所,湖南长沙 410083; 2.Department of Physics and Astronomy,University of Rochester,Rochester,NY14627,USA)

结合紫外光电子能谱(UPS)、X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)等实验手段系统研究了C8-BTBT沉积在层状MoS2基底上的界面能级匹配、薄膜生长和分子取向。研究发现C8-BTBT分子竖直生长在MoS2上,生长过程中界面的真空能级(VL)、最高占据态轨道(HOMO)和电离能(IP)都出现了非常规的弯曲现象。这种能级弯曲行为可归因于直立分子从界面相到体相的转变过程中,其分子倾斜角(θ)存在一定的渐变,这种渐变会在沿表面法线方向诱导出一系列的层间电偶极,最终导致能级的弯曲。同时θ的变化也会改变薄膜的表面极化强度,引起IP的逐渐减小。能级的弯曲在界面处形成类P-N结的效应会对C8-BTBT基电子器件的性能有很大的影响。

光电子能谱;C8-BTBT;能级匹配;分子取向;薄膜生长

1 引言

π共轭的有机半导体(OSC)是近年来发展的一类具有广阔前景的新型功能材料,其良好的光学、电学和磁学以及力学[1-4]性能得到了广泛的关注。基于OSC材料制备的电子器件具有低成本、柔性、大面积的特点,在有机场效应晶体管(OFETs)、有机太阳能电池(OPVs)和有机发光二极管(OLEDs)[5-7]等方面显示出极大的应用潜力。相比于无机半导体,有机半导体材料里的载流子迁移率一直都不是很高。但是,近几年随着薄膜制备技术的发展,有机薄膜迁移率已得到大幅度的提升,从10-6～10-5cm2·V-1·s-1(聚噻吩[8])提高到18 cm2·V-1·s-1(红荧烯[9])。Yuan等[10]通过一种简单的偏心旋涂法(OCSC) 将C8-BTBT和聚苯乙烯混合溶液制成OFET,其空穴迁移率达到创纪录的43 cm2·V-1·s-1,同时C8-BTBT有高达3.84 eV的禁带宽度,这些性质使其成为众多研究小组关注的热门研究对象。MoS2也是现在比较热门的光电材料,它与石墨有类似的层状结构,并且存在合适的带隙(单层MoS2有1.8 eV的直接带隙),被广泛应用于各种电子器件中[11-12]。

基于C8-BTBT的光电器件的性能取决于器件各功能层之间的界面能级匹配。其中界面薄膜的形貌和分子堆积的方式对能级匹配会有很大的影响。例如,Minemawari等[13]将抗溶剂结晶技术和喷墨印刷技术相结合在SiO2基底上制备出的台阶状的C8-BTBT单晶薄膜,其最高迁移率可达31.3 cm2·V-1·s-1。Liu等[14]通过溶剂蒸发退火(SVA)的方法在聚合物电解质PMMA上制备了数百微米的条形C8-BTBT单晶,相应OFET器件的开关比达到107。有关C8-BTBT分子堆积方式的研究,单晶X射线结构分析测试[15]表明,生长在SiO2/Si衬底上的C8-BTBT分子的长轴(c 轴)是沿着衬底法线方向,相应的人字形堆积的BTBT部分(载流子传输的主要方向)平行于衬底表面。扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)观测结果[16]显示,单层C8-BTBT分子平躺生长在石墨烯和BN片上,但从第二层之后分子逐渐竖立(分子长轴沿衬底法线方向)趋近于体相堆积方式。科研人员对C8-BTBT的薄膜形貌和分子堆积方式进行了大量的研究,然而与结构有关的界面电子性质的研究还是空白,通过直接测量C8-BTBT的界面能级匹配对理解其相关器件性能有重要意义。

本文系统地研究了C8-BTBT/MoS2体系的界面薄膜生长、分子取向和能级匹配的关系。MoS2(0001)基底虽有与石墨类似的层状结构,但其表面并没有石墨中碳原子sp2杂化形成的π键,对其上沉积的具有π共轭键的有机分子堆积方式还有待研究。本文的研究发现,C8-BTBT分子竖直生长在MoS2上,并且在竖直生长过程中存在能级弯曲现象,同时电离能(IP)也会随着薄膜厚度的增加而减小。这些能级结构的变化可归因于直立分子在从界面相到体相的转变过程中,其分子倾斜角(θ)存在一定的渐变。同时,能级的弯曲对电子的输运也会有很大的影响。本文的研究对C8-BTBT基电子器件的设计有一定的指导意义。

2 实验

本实验中,C8-BTBT的真空沉积和光电子能谱(PES)测试是在自制的超高真空(UHV)系统上完成。有机分子束蒸发腔(OMBE,结构见图1(a),真空度P＜7×10-7Pa)中制备的C8-BTBT膜通过径向传样腔送入分析腔(P＜2×10-8Pa)进行原位分析。分析腔中配备了SPECS PHOIBOS 150半球能量分析器、紫外(UV)He I(21.2 eV)激发光和单色化的 SPECS XR-MF Al Kα (1 486.7 eV)X光源[17]。UV光斑直径约为 1 mm,通过Au(111)费米能级(EF)校准的紫外光电子能谱(UPS)的能量分辨率约为70 meV。样品外加-5 V偏压用于观察UPS中的二次截止边(Secondary cutoff edge)。材料功函数(WF)为hv(21.2 eV)-E,其中E是EF和截止边的能量差。在X射线光电子能谱(XPS)测量中,光斑直径约为100μm,扫描能量步长为100 meV。所有测试能谱中的结合能(EB)都是相对于能量分析器的EF。MoS2(0001)(12 mm×6 mm)衬底在大气中解理后迅速转移到真空系统中,再在OMBE腔中450℃下退火36 h,最后通过XPS和低能电子衍射(LEED,图1(d))确定其表面的洁净平整。测试的C8-BTBT薄膜是在OMBE腔中以梯度形式(如图1(c),通过移动挡板实现每个特定厚度的生长)沉积到MoS2上的,沉积温度保持在(110± 1)℃,沉积速率为0.1～0.2 nm/min,通过石英晶振膜厚仪(QCM)监控。衬底温度在生长时始终保持在(25±0.5)℃,C8-BTBT生长的厚度梯度分别为0.5,1.0,2.0,4.0,8.0 nm。C8-BTBT的薄膜形貌在大气下通过Agilent 5500AFM/SPM系统表征,测试时使用的是AFM的轻敲模式(Tappingmode)。

图1 (a)有机分子束蒸发腔(OMBE)结构示意图;(b)C8-BTBT分子式;(c)C8-BTBT梯度生长示意图;(d)MoS2(0001) 的LEED图(电子能量121 eV)。Fig 1 (a)Schematic representation of the organicmolecular beam evaporator(OMBE).(b)Molecular structure of C8-BTBT. (c)C8-BTBT regions with thickness ranging from 0.5 to 8.0 nm on MoS2.(d)LEED of MoS2(0001)(electron energy 121 eV)

3 结果与讨论

3.1 C8-BTBT/M oS2界面的能级匹配

图2 (a)生长在MoS2上的C8-BTBT的UPS谱,左为截止边区域,右为HOMO区域;(b)生长在MoS2上的C8-BTBT的XPSC 1s谱随薄膜厚度的变化;(c)生长在MoS2上的C8-BTBT的WF、HOMO、IP和C 1s能级随薄膜厚度的变化。Fig.2 (a)UPSspectra of C8-BTBT on MoS2,left is the cut-off region,and right is the HOMO region.(b)XPSC 1s core-level evolution as a function of film thickness.(c)Plotof thework function(WF),HOMO edge,ionization potential(IP) and C 1s core level as a function of film thickness.

界面处的能级匹配通常会随着有机薄膜的厚度增加而发生一定的变化。图2(a)给出了C8-BTBT生长在MoS2上的UPS谱随薄膜厚度的变化关系,左图显示的是截止边区域(高EB区域),右图显示的是最高占据态轨道HOMO区域(低EB区域)。

通过线性外推法可以得到截止边和HOMO位置的值(如图0.5 nm谱线中标记),截止边的变化反映的是功函数和真空能级(VL)的改变。所有的能谱为便于观察都进行了归一化处理。从图2(c)中可以看出,当C8-BTBT的沉积厚度从0.5 nm增加到8.0 nm时,VL明显减小0.87 eV,同时HOMO和C 1s能级也向高结合能位置偏移了0.61 eV和0.64 eV,并且它们的变化始终是同步的,说明在界面处出现了能级弯曲的现象。另外,IP(WF+|HOMO|)随着薄膜厚度的增加也会减小0.26 eV。

3.2 C8-BTBT在M oS2表面上的薄膜生长模式和分子取向

图3(a)～(d)通过AFM研究了C8-BTBT在 MoS2表面上的生长行为。图3(a)显示MoS2表面非常平整,平均的起伏和台阶高度＜0.4 nm。由于MoS2表面非常惰性,与沉积的有机分子的相互作用很弱,所以层内分子间的π-π[18]和CH-π[19]作用将对分子的堆积起主要影响。如图3(b)所示,当0.5 nm的C8-BTBT沉积到MoS2上时,吸附的分子可以在衬底表面自由地移动形成大而分立的结晶岛。进一步沉积到2.0 nm时(图3(c)),岛开始连接长大,并在第一层岛的表面连续生长第二层分子。最后生长到8.0 nm时(图3(d)),岛开始形成大面积连续的薄膜。这些都说明C8-BTBT在MoS2表面是一种岛状生长模式(Island growth mode)[20]。而且在图3(e)中,衬底MoS2的Mo 3d峰在C8-BTBT覆盖8.0 nm时仍清晰可见,这也进一步说明了其是岛状生长的模式。

图3 C8-BTBT生长在MoS2上的AFM形貌图(10μm×10μm)。(a)MoS2基底;(b)0.5 nm;(c)2.0 nm;(d)8.0 nm;(e) Mo 3d峰强度随C8-BTBT薄膜厚度的变化。Fig.3 AFM morphology images(10μm×10μm).(a)MoS2substrate.(b)0.5 nm C8-BTBT on MoS2.(c)2.0 nm C8-BTBT on MoS2.(d)8.0nm C8-BTBT on MoS2.(e)Evolution of Mo 3d core-level as different C8-BTBT films thickness.

同时我们对C8-BTBT/MoS2界面处每层分子膜的厚度进行了测量,如图3(b)～(d)中显示的高度变化。从图3(b)～(d)的高度谱中,我们可以得到MoS2上相应的第一层、第二层和第三层C8-BTBT分子膜的厚度分别为3.30,3.35,3.41 nm。之前的研究表明[21],C8-BTBT的分子沿着c轴方向竖直生长,其分子层的厚度约为3.0 nm。因此,考虑到MoS2表面本身的起伏和台阶,我们认为C8-BTBT在MoS2表面一直是竖直生长的。

3.3 结果分析

结合上文 UPS、XPS和 AFM对 C8-BTBT/ MoS2界面的电子结构、分子取向和薄膜生长的各项数据,我们发现随沉积厚度变化的分子取向和相应的能级匹配之间的关系,如图4所示。LUMO能级(虚线部分)是根据理论计算得到的[22]。从图中可以清晰地看出随着沉积厚度的增加,在最开始的竖直区域内,界面处出现了很明显的能级弯曲行为,并且在整个过程中IP也会减小。下面将通过对比分析对这些现象提出一个合理的解释。

首先要排除的是C8-BTBT薄膜表面的充电效应(Charging effect)。由于充电现象和光电离有关,而实验中的HOMO和C 1s能级分别是通过UPS和XPS测量的,在这两个不同的光电离过程中它们的变化却是同步的,说明能级的弯曲并不是电荷充电引起的。另外,我们通过改变紫外光和X光的强度,发现8.0 nm C8-BTBT薄膜的VL、HOMO和C 1s峰都未发生偏移,这些都说明C8-BTBT薄膜不存在充电效应影响。

图4 C8-BTBT生长在MoS2上的分子取向(上部)和能级匹配(下部)Fig4 Schematic drawing showing the molecular orientation (top panel)and energy level alignment(bottom panel) for C8-BTBT on MoS2

其次考虑到MoS2的功函数为4.89 eV,0.5 nm C8-BTBT薄膜的电离能为5.84 eV(图4(下部)),同时C8-BTBT的带隙经计算为3.84 eV (HOMO-LUMO)[22]。可以看出在这种情况下,界面处MoS2的EF处在C8-BTBT的带隙中(当VL一致时)。由整数电荷转移模型(ICT mode)[23]可知,这样的界面处不存在电荷转移,所以可以排除因为界面处电荷转移引起能级弯曲的情况。另外,基底的终态屏蔽(Final-state screening by the substrate)[24]效应也会在界面处引起能级弯曲,但这样的弯曲只存在于界面处很小的区域里,而且HOMO能级的弯曲方向也和我们测量的结果相反。

我们之前的研究表明[25],CuPc沉积到MoS2上时,第一层分子会平躺分布于衬底上,说明MoS2表面对有机分子的堆积还是有一定的影响。相比于C8-BTBT/MoS2界面,由于层间分子更强的相互作用,C8-BTBT最初就竖直生长,同时考虑到MoS2表面的作用,我们认为在最初竖直的几层中,C8-BTBT的界面相和体相很可能存在一定的差异,这种差异将会导致分子倾斜角θ有一个逐渐减小的过程(图4(上部),分子逐渐竖立趋近于体相)。由于C8-BTBT的长链结构和烷基链上C—H极化键的作用,分子θ角的改变将会在沿薄膜表面法线方向诱导出一系列的层间电偶极,这些电偶极最终引起了能级的弯曲。分子取向的渐变导致能级弯曲的现象也存在于其他有机体系中,如 CuPc/HOPG[26]。之前大量的研究表明[27-28],那些分子边缘或支链上有C—H极化键的有机分子,在竖直生长时,由于C—H极化键暴露在表面最外端会形成表面极化势垒,进而会引起IP的减小。当C8-BTBT分子θ角渐减时,最外端支链上的C—H极化键形成的表面势垒也会变化,最终就会导致 IP随分子层的增加而逐渐减小。

能级弯曲最直接的影响就是材料中电子-空穴的分离,这样就会在C8-BTBT薄膜内形成一个类P-N结的区域,电荷在这个区域内传输就会表现出一定的单向导通特性。He等[16]制作了一个基于Graphene为源电极的多层C8-BTBT垂直器件,他们发现在源漏电极之间薄膜表现出单向导电性,从我们的研究中可以看出在界面处能级的弯曲对其会有一定的影响。

4 结论

通过UPS、XPS和AFM等实验方法系统研究了C8-BTBT/MoS2界面处能级的匹配、薄膜的生长和分子的取向,发现C8-BTBT竖直生长于MoS2表面,并最终以岛状形式连接成膜。在最初的竖直过程中,界面处会伴随着能级弯曲行为,这种非常规的弯曲可以归因于分子倾斜角θ的渐变引起了一系列的层间电偶极。并且分子取向的改变也会导致薄膜表面势垒的变化,进而引起IP随薄膜厚度的增加而逐渐减小。能级的弯曲在界面处形成类P-N结的效应也会对C8-BTBT基电子器件的性能有很大的影响。

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吕路(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,2015年于中南大学获得硕士学位,主要从事高效能有机半导体表面的研究。

E-mail:lvlu114@csu.edu.cn

牛冬梅(1969-),女,河南安阳人,副教授,2006年于中国科学院安徽光学精密机械研究所获得博士学位,主要从事固体的表面电子结构与瞬态过程等方面的研究。

E-mail:mayee@csu.edu.cn

《发光学报》——EI核心期刊(物理学类;无线电电子学、电信技术类)

《发光学报》是中国物理学会发光分会与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所共同主办的中国物理学会发光分会的学术会刊。该刊是以发光学、凝聚态物质中的激发过程为专业方向的综合性学术刊物。

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Energy Level Bending and Molecular Packing Mode of 2,7-diocty[1]benzothieno[3,2-b]benzothiophene(C8-BTBT)on MoS2

LYU Lu1,NIU Dong-mei1*,XIE Hai-peng1,CAO Ning-tong1,Gao Yong-li1,2

(1.Institute ofSuper-microstructure and Ultrafast Process in Advanced Materials,School ofPhysics and Electronics, Central South University,Changsha 410083,China; 2.Department of Physics and Astronomy,University ofRochester,Rochester NY14627,USA)
*Corresponding Author,E-mail:mayee@csu.edu.cn

The energy level alignment,film growth and molecular orientation of C8-BTBT on MoS2were studied by ultraviolet photoemission spectroscopy(UPS),X-ray photoemission spectroscopy (XPS)and atomic forcemicroscopy(AFM).Themolecules adopt standing-up orientation on MoS2and the island growth mood were confirmed.The ionization potential(IP)decrease and highest occupied orbital(HOMO)down-shiftwere observed as the film thickness increased.IP decrease is ascribed to the gradual increase of the surface electric dipole pointing inwardswhen themolecular tilt angle(θ)about the substrate normal decreases with the increasing of film thickness.The energy level shift results in an analogy P-N junction effect,which provides important guidance for C8-BTBT based electronic device design.

photoemission spectroscopy(PES);C8-BTBT;energy level alignment;molecular orientation;film growth

O46

10.3788/fgxb20153608.0875

1000-7032(2015)08-0875-07

2015-04-29;

:2015-06-09

国家自然科学基金(51173205,61306085,11334014)资助项目