红荧烯晶体薄膜的制备及应用研究进展

红荧烯具有导电性好、吸收系数高等优良的荧光特性和半导体特性,是目前报道的单晶迁移率最高的材料,在有机光电器件中有很好的发展前景,受到科研人员的广泛关注。目前国内外主要采用真空蒸镀方法和溶液加工方法制备红荧烯晶体薄膜,采用各种制备工艺来提高红荧烯薄膜质量。本文在系统介绍红荧烯晶体薄膜制备工艺研究进展的基础上,归纳总结了掺杂种类/聚合物浓度、后处理工艺/实验温度等对红荧烯晶体性能的影响,简要概述了红荧烯薄膜在有机光电子器件应用研究中所取得的研究成果,最后展望了基于红荧烯晶体薄膜的光电器件的发展趋势。     

红荧烯薄膜生长及稳定性的研究

利用原子力显微镜研究了二氧化硅衬底上红荧烯薄膜的生长及稳定性。在较低沉积速率下,较低衬底温度时,红荧烯分子有充足的扩散时间,利于薄膜的横向生长,形成连续性、均匀性较好的薄膜。快速蒸镀及较高衬底温度使红荧烯薄膜转变为纵向生长模式,形成团粒状岛。横向生长的红荧烯薄膜在退火和空气中表现为亚稳特性,随着退火温度的升高和空气中放置时间的延长,红荧烯分子会自发地进行质量传输,发生纵向转移,转变为团粒状岛。获得了二氧化硅界面上红荧烯薄膜的生长及亚稳定机制模型。研究结果证明红荧烯分子与二氧化硅界面之间的作用力小于红荧烯分子间的作用力。     

PVP对Nylon 6形貌及结晶行为影响的研究

采用变温红外光谱、示差扫描量热（DSC）和偏光显微镜（POM）等方法研究了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与尼龙6（nylon 6）分子间的相互作用及其对nylon 6热行为及结晶形貌的影响。DSC结果表明PVP的加入明显影响了nylon 6的熔融和结晶行为：随着PVP含量增加,PVP/nylon 6共混物的结晶温度、熔融温度及结晶度均逐渐降低;POM观察显示：随着PVP含量增多,nylon 6的球晶尺寸变小、球晶逐渐变得不完善。变温红外光谱结果表明,无定形PVP分子的羰基能够与nylon 6分子的N—H基团形成新的氢键,部分破坏了nylon 6分子之间的氢键结构,从而阻碍了nylon 6分子的规整排列,使其结晶度降低并导致nylon 6结晶形貌的变化。     

Rubrene∶MoO_3混合薄膜的制备及光学和电学性质

利用热蒸发技术在衬底温度为室温的硅衬底、氧化铟锡衬底和石英衬底上制备了红荧烯与氧化钼的混合薄膜.将两种材料放置于不同的坩埚中,通过控制蒸发源的温度来控制混合比例,制备了不同比例的混合薄膜.通过原子力显微镜对混合薄膜的表面形貌进行了测量,发现当红荧烯与氧化钼的比例为2:1时,薄膜表面的平整度最好;通过X射线衍射分析对混合薄膜的结晶性进行分析,发现不同浓度的混合薄膜均表现出非晶态特征.通过PL谱和吸收光谱研究了不同比例的混合薄膜的光学性质,从光致发光谱可以发现:混合薄膜在近红外区域有显著吸收,说明红荧烯在氧化钼诱导下产生中间能级,形成电荷转移络合物.从吸收谱知:除4:1外,其他比例的混合薄膜具有几乎相同的吸收峰.根据Tauc方程计算了混合薄膜的光学带隙,发现当红荧烯与氧化钼的比例为2:1时,混合薄膜的带隙最窄(-2.23 eV).制备了结构为Al/rubrene:MoO_3/ITO的器件,测试了J-V特性,研究了混合薄膜的电学性质.发现当混合比例为4:1和2:1时,混合薄膜与金属电极的接触表现为欧姆接触.本研究显示出红荧烯和氧化钼的混合薄膜在近红外区域有潜在的应用前景,也为红荧烯和氧化钼的混合薄膜在有机光电器件的应用提供了基础.     

不同表面修饰制备高性能柔性薄膜晶体管

分别采用六甲基二硅胺(HMDS,Hexamethyldisilazane)和聚苯乙烯/氯硅烷复合材料修饰聚乙烯基苯酚(PVP)绝缘层制备了底接触的有机薄膜晶体管并研究了其半导体层的表面形貌和器件的电学性能。原子力显微镜观察发现,并五苯半导体薄膜在不同的界面修饰上的生长形貌产生了很大变化。在PVP上沉积的并五苯晶粒尺寸都小于150 nm,经过聚苯乙烯/氯硅烷复合材料和HMDS处理后的PVP表面生长的并五苯晶粒尺寸则分别在200~400 nm和400~600 nm。大尺寸的晶粒能够减小器件沟道内的陷阱浓度,从而有效地提高电学性能。PVP绝缘层采用聚苯乙烯/氯硅烷和HMDS修饰后,与未修饰的器件相比迁移率分别提高了58倍和82倍。采用HMDS作为表面修饰层制备柔性OTFT,并五苯场效应晶体管的关态电流约为10-9A,电流的开关比超过104,最大场效应迁移率约可达0.338 cm2·V-1·s-1.     

聚苯乙烯单层空心微球掺硫层不均匀结构研究

采用红外显微图像技术对单层掺硫空心微球上出现的不均匀结构进行了表征分析,证明了不均匀结构的产生来源于掺硫剂PSS（聚苯乙烯磺酸钠）。同时对PSS的成膜性能进行了研究,并使用红外显微图像技术和偏光显微镜对PSS平面薄膜进行表征,结果表明,掺硫剂PSS成膜性能较差,薄膜表面存在分子有序化聚集体和结晶现象。热处理结果显示PSS薄膜与聚苯乙烯薄膜热性能相差较大,易产生脆性开裂并从聚苯乙烯表面剥离,说明PSS不适合于高掺硫量微球制备。     

不同衬底上制备YBa2Cu3O7-δ超导薄膜的微结构研究

采用大直径中空柱状阴极直流磁控制溅射装置，在LaAlO3和Zr(Y)O2衬底上制备YBCO超导薄膜。用透射电镜（TEM）、扫描隧道显微镜（SIM）和原子力显微镜（AFM）对薄膜和衬底间的界面，薄膜的螺旋生长结构，YBCO薄膜及其相应衬底的表面形貌进行了观察和测量。分析了基片表面形貌及表层内缺陷对界面附近薄膜组织结构的影响。研究了不同衬底沉积的超导薄膜具有不同表面形貌的原因。从生长机理角度对表面形貌、缺陷和位错的形成机制进行讨论。     

溶胶凝胶法制备以Al_2O_3为界面修饰层的铪铟锌氧薄膜晶体管

利用溶液法制备了以HfSiOx为绝缘层、HfInZnO为有源层、Al_2O_3为界面修饰层的TFT器件。HfSiOx薄膜经Al_2O_3薄膜修饰后,薄膜表面粗糙度从0.24nm降低至0.16nm。Al2O3薄膜与HfSiOx薄膜之间的界面接触良好,以Al_2O_3为界面修饰层的TFT器件整体性能得到提升,具体表现为:栅极电压正向和反向扫描过程中产生的阈值电压漂移显著减小,器件的阈值电压和亚阈值摆幅降低,迁移率与开关比增大。研究证明,溶液法制备Al_2O_3薄膜适合作为改善器件性能的界面修饰层。     

溶胶-凝胶法制备疏水性自组装SiO2薄膜

 以正硅酸乙酯（TEOS）和六甲基二硅氮烷（HMDS）为前驱体,研究了引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对膜层的影响,在碱催化条件下制备了改性的二氧化硅溶胶,并采用提拉涂膜的方法在石英基底上涂膜。对不同组分的薄膜,先经热处理或紫外辐照处理,然后用十八烷基三氯硅烷（OTS）/甲苯溶液对膜层表面进行化学修饰,制备出疏水性能良好的纳米二氧化硅自组装薄膜,分析了不同后处理方法对膜层透过率、接触角、膜层表面微观形貌和激光损伤阈值影响。实验结果表明：溶胶中加入PVP提高了膜层的平整度,经OTS改性后膜层疏水性和激光损伤阈值均得到提高。     

基片温度对磁控溅射HfO2薄膜结构和性能影响分析

在纯氧条件下,采用直流磁控溅射技术在单晶硅基片上沉积氧化铪（HfO2）薄膜,并研究了沉积过程中基片温度对薄膜结构和性能的影响规律。利用X射线衍射仪（XRD）和X射线能谱（XPS）表征了薄膜的晶体结构和组分,利用原子力显微镜（AFM）观察薄膜表面形貌,利用纳米力学测试系统表征了薄膜的纳米硬度和弹性模量。结果表明:磁控溅射制备的HfO2薄膜样品呈(111)择优生长,其晶粒尺寸随着基片温度的升高而增大,但其晶型并不发生转变。随着基片温度的增加,基片中的硅元素向薄膜内扩散,影响了薄膜的化学计量比。沉积薄膜的表面形貌和力学性能亦受到其结构和组分变化的影响。在200 ℃条件下制备的HfO2薄膜纯度高,O、Hf元素化学计量达到了1.99,其表面质量和力学性能均达到了最佳值,随着基片温度升高至300 ℃以上,薄膜纯度下降,表面质量和力学性能均产生劣化。     

基于聚(4-乙烯基苯酚)衬底修饰层喷墨打印的小分子有机半导体薄膜制备和表征

采用旋涂法预先在SiO₂衬底表面形成一层聚（4-乙烯基苯酚）（PVP）作为表面修饰层,以喷墨打印的6,13-双（三异丙基甲硅烷基乙炔基）并五苯（TIPS并五苯）作为有源层制作有机薄膜晶体管,有效改善了有机半导体薄膜的形貌。采用真空热蒸镀工艺制备源漏电极,形成底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管（OTFT）器件。作为对比,在未经过表面修饰的SiO₂衬底上采用相同条件打印TIPS并五苯薄膜晶体管,发现在经过PVP修饰的SiO₂衬底上打印的单点厚度更均匀,咖啡环效应被抑制或被消除;而通过多点交叠打印形成的矩形薄膜的晶粒尺寸更大,相应的OTFT器件具有更高的场效应迁移率。在有PVP修饰层的衬底上制作的OTFT,器件在饱和区的平均场效应迁移率达到了0.065 cm²·V^-1·s^-1;而直接在SiO₂衬底上制作的器件,相应的平均场效应迁移率仅为0.02 cm²·V^-1·s^-1。     

SiO2/Si衬底上石墨烯的制备与结构表征

在分子束外延(MBE)设备中,利用直接沉积C原子的方法在覆盖有SiO₂的Si衬底(SiO₂/Si)上生长石墨烯,并通过Raman光谱和近边X射线吸收精细结构谱等实验技术对不同衬底温度(500℃,600℃,700℃,900℃,1100℃,1200℃)生长的薄膜进行结构表征.实验结果表明,在衬底温度较低时生长的薄膜是无定形碳,在衬底温度高于700℃时薄膜具有石墨烯的特征,而且石墨烯的结晶质量随着衬底温度的升高而改善,但过高的衬底温度会使石墨烯质量降低.衬底温度为1100℃时结晶质量最好.衬底温度较低时C原子活性较低,难以形成有序的C-sp²六方环.而衬底温度过高时(1200℃),衬底表面部分SiO₂分解,C原子与表面的Si原子或者O原子结合而阻止石墨烯的形成,并产生表面缺陷导致石墨烯结晶变差.     

氧化物隔离对Si基片上生长L1_0相FePt薄膜磁性的影响

用MgO和SiO_2两种氧化物将FePt薄膜与Si(100)基片隔离,分析隔离层在FePt层发生A1→L1_0转变过程中的作用,寻找用Si母材涂敷L1_0-FePt磁性层来提高磁力显微镜针尖矫顽力的合理方案.采用磁控溅射法在400?C沉积Fe Pt薄膜,在不同温度进行2 h的真空热处理,分析晶体结构和磁性的变化.结果表明:没有隔离层,Si基片表层容易发生扩散,50 nm厚FePt薄膜的矫顽力最大只有5kOe(1 Oe=10~3/(4π)A·m~(-1));而插入隔离层,矫顽力可以超过10 kOe;MgO在Si基片上容易碎裂,热处理温度不能高于600?C,用作隔离层,FePt的最大矫顽力为12.4 kOe;SiO_2与Si基片的晶格匹配更好,热膨胀系数差较小,能承受的最高热处理温度可以超过800?C,使得Fe Pt的矫顽力可以在5 kOe到15 kOe范围内调控,更适合用于制作矫顽力高并可控的磁力显微镜针尖.     

High and low thermal nitridation of SiO2 thin films

Thin thermal SiO₂ films on crystalline silicon substrate were nitrided at low ammonia pressures (10^-6P_NH310^-1 mbar) for times varying from 1 to 10 h, by means of two techniques. (i) Surface nitridation has been achieved by thermal activation at high temperature (HT), in the range 800–1100°C. (ii) A new process at low temperature (LT), was employed at T ≈ 30°C, under electron-beam irradiation; the nitridation-reaction rate depends on the electron energy (reaching a maximum within the energy range 1 to 2 keV), and on the electron flux. Conduction and electron trapping on the nitrided oxide films depends on the chemical compositions and on the amount of nitrogen incorporated into the bulk of the films and/or at the SiO₂-Si interface.     

Perpendicular magnetic anisotropy of Pd/Co2MnSi/NiFe2O4/Pd multilayers on F-mica substrates

Pd/Co₂MnSi(CMS)/NiFe₂O₄(NFO)/Pd multilayers were fabricated on F-mica substrate by magnetron sputtering.The best PMA performance of the multilayer structure Pd(3 nm)/CMS(5 nm)/NFO(0.8 nm)/Pd(3 nm)was obtained by adjusting the thickness of the CMS and NFO layers.F-mica substrate has a flatter surface than glass and Si/SiO₂ substrate.The magnetic anisotropy energy density(K_eff)of the sample deposited on F-mica substrates is 0.6711 Merg/cm³(1 erg=10^-7 J),which is about 30%higher than that of the multilayer films deposited on glass(0.475 Merg/cm³)and Si/SiO₂(0.511 Merg/cm³)substrates,and the R_Hall and H_C are also significantly increased.In this study,the NFO layer prepared by sputtering in the high purity Ar environment was exposed to the high purity O₂ atmosphere for 5 min,which can effectively eliminate the oxygen loss and oxygen vacancy in NFO,ensuring enough Co-O orbital hybridization at the interface of CMS/NFO,and thus effectively improve the sample PMA.     

Evolution of step-terrace structure at Si–SiO2 interface in SIMOX substrate during annealing

The step-terrace structures at the interface between the Si layer and the buried SiO₂ layer of a Separation by IMplanted OXygen substrate has been observed by using atomic force microscopy (AFM) after removing the SiO₂ and Si layers. The time evolution of the Si–SiO₂ interface roughness during high-temperature annealing was analyzed by the scaling analysis of AFM data. The correlation length exhibited a nice correspondence to the size of square domain structures. Decreasing in the index of the length scale indicates that the growth mechanism changes as the annealing proceeds.     

Crystalline silicon films sputtered on molybdenum: A study of the silicon–molybdenum interface

Polycrystalline silicon films were grown on molybdenum (Mo)-coated substrates at high deposition rate using the pulsed magnetron sputtering technique. Our study investigates the silicon–molybdenum interface of these films to elucidate stimulating mechanisms for an ordered crystalline silicon thin film growth. Both Auger electron spectroscopy and Rutherford backscattering reveal that at a substrate temperature as low as T_S=450 °C during the deposition process intermixing of Si and Mo at the Si–Mo interface takes place leading to a compositional ratio Mo:Si of about 1:2. By Raman spectroscopy hexagonal β-MoSi₂ could be identified as the dominant phase in this intermixed region. The dependence of the resulting thickness of the reacted interface layer on the deposition conditions is not fully understood yet.     

High temperature reaction and defect chemistry at the Si/SiO2 interface

The generation of structural and electrical defects in Si/SiO₂ structures upon high temperature annealing by the oxide decomposition reaction Si+SiO₂→2SiO ↑ has been studied using scanning electron microscopy (SEM) and ramped current-voltage measurements. The SiO decomposition is nucleated at crystalline defects in the substrate and results in the formation of voids in the oxide. The voids grow laterally with annealing time, independent of the nature of the defect. Prior to the formation of physical voids in the oxide, defects become electrically active, leading to low field dielectric breakdown. The breakdown degradation is prevented when the O₂ pressure in the annealing ambient is sufficient to reverse the decomposition reaction by reoxidizing the SiO product at the interface.     

MoO_3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过模拟MoO_3/Si界面反应,研究了MoO_x薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程,从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiO_x(Mo))物质的形成和机理.结果表明,在1500 K温度下, MoO_3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合,可形成新的稳定的物相.热蒸发沉积初始时, MoO_3中的两个O原子和Si成键更加稳定,同时伴随着电子从Si到O的转移,钝化了硅表面的悬挂键. MoO_3中氧空位的形成能小于SiO_2中氧空位的形成能,使得O原子容易从MoO_3中迁移至Si衬底一侧,从而形成氧化硅层;替位缺陷中, Si替位MoO_3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO_2中的Si的形成能,使得Mo容易掺杂进入氧化硅中.因此,在晶硅(100)面上沉积MoO_3薄膜时, MoO_3中的O原子先与Si成键,形成氧化硅层,随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子,最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.     

花状掺杂W-VO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;/ZnO热致变色纳米复合薄膜研究

为解决掺杂引起的二氧化钒薄膜的红外调制幅度下降以及二氧化钒复合薄膜相变温度需要进一步降低等问题, 采用纳米结构、掺杂改性和复合结构等多种机理协同作用的方案, 利用共溅射氧化法, 先在石英玻璃上制备高(002)取向的ZnO薄膜, 再在ZnO层上室温共溅射沉积钒钨金属薄膜, 最后经热氧化处理获得双层钨掺杂W-VO₂/ZnO纳米复合薄膜. 利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和变温光谱分析等对薄膜的结构、组分、形貌和光学特性进行了分析. 结果显示, W-VO₂/ZnO 纳米复合薄膜呈花状结构, 取向性提高, 在保持掺杂薄膜相变温度(约39 ℃)和热滞回线宽度(约6 ℃)较低的情况下, 其相变前后的红外透过率差量增加近2倍, 热致变色性能得到协同增强. 关键词： 2')" href="#">VO₂ ZnO W掺杂 热致变色