有机-有机界面效应的原位及非原位研究

摘要

有机-有机异质结构已被广泛应用于各种有机电子器件，包括有机发光二极管（OLEDs）、有机场效应晶体管（OFETs）和有机太阳能电池等。全面理解有机-有机异质结构的界面效应，对于器件的设计和性能优化具有重要意义。然而由于有机半导体具有多样的化学特性以及分子间较弱的范德华力，界面电荷传输特性与有机-有机电子结构、环境气氛等密切相关。在此，我们报道了随着顶层半导体并五苯（pentacene）的沉积，并五苯/酞菁氧钒（VOPc）异质结构的原位实时电学性能监测。结果显示，异质结构晶体管的p型迁移率从0.4cm²·V^-1·s^-1下降至0.2cm²·V^-1·s^-1，而n型迁移率从0.01cm²·V^-1·s^-1迅速增加至约0.9cm²·V^-1·s^-1。这种n型输运行为的增强归因于pentacene向VOPc的界面电子转移效应以及由此导致的VOPc层中陷阱态的填充。此外，非原位实验对比表明，当晶体管制备过程暴露于大气时会明显抑制这种界面电荷转移效应，导致沉积pentacene后n型输运几乎没有得到改善。薄膜形态、开尔文探针力显微镜（KPFM）和X射线光电子能谱（XPS）的结果表明，界面处存在从pentacene到VOPc的电子转移。进一步的密度泛函理论（DFT）计算表明，由于pentacene/VOPc之间较强的相互作用，pentacene往VOPc的电荷转移量约为0.15 e。此外，O₂/H₂O的存在会抑制这种界面电荷转移效应，这与我们的实验结果一致。本研究通过原位电学表征对有机-有机界面之间的电荷转移效应给出了深入解释，有利于进一步的器件性能优化及界面效应分析。

关键词

有机-有机异质结构 / 原位表征 / 电荷转移效应 / 有机场效应晶体管 / O₂/H₂O掺杂

基金资助

国家自然科学基金(22222205,52173176,51773143,51821002);; 苏州市表界面智能材料重点实验室(SZS20220110);; 苏州纳米科技协同创新中心,江苏高校优势学科建设及111引智计划资助