光学激散光谱表征试图存放moo₂薄膜

摘要

尝试沉积二氧化钼(MoO₂已经描述了薄膜。电子结构的薄膜，通过MOO的热蒸发沉积₂用紫外光电发射光谱和x射线光电发射光谱(UPS和XPS)对粉末进行了研究。发现热蒸发膜与热蒸发MoO相似_3.沉积早期的薄膜。MoO的XPS分析₂粉末显示Mo三维核层中存在+5、+6氧化态以及+4氧化态。MoO的残留₂粉末表明在高氧化态的大量减少，同时保持+4氧化态几乎完整。研究了氯铝酞菁(AlPc-Cl)与热蒸发膜之间的界面形成。

1.介绍

由于有机半导体的合成成本低、材料性质可调，其应用越来越受到科学界和工业界的关注。潜在的应用，包括有机光伏电池[1-3.]、有机发光二极管(oled) [4.-6.]，以及有机薄膜晶体管[7.那8.，已经被成功地证明。尽管这些早期成功的应用带来了推动力，但只要正确理解有机设备中的每个接口，就有望实现性能的巨大提升。因此，需要对每个界面的电子结构和界面能级排列进行详细的研究。

为了改善电极上的电荷传输和收集，人们做了大量的工作。Tokito等人首次尝试在导电铟锡氧化物(ITO)和有机半导体之间引入高功函数(WF)过渡金属氧化物插入层[9.］．虽然通过氧化物插入层改善了装置性能的情况[10.-13.]，关于这一改进机制的共识尚未达成。Kroger等人[14.那15.据报道，通过从MOO的传导带上从有机半导体的最高占用的分子轨道（HOMO）的电子提取来源自电子提取的可能机制。_3.．在我们的报告中[13.-16.，我们建立了通过减小空穴注入阻挡层和在ITO/空穴注入层界面有机材料中空穴积累的漂移场来提高效率的方法。我们还强调了MoO的高级工作职能(WF)的重要性_3.以提高设备的性能[16.-19.］．一些其他群体强调差距 - 国家辅助运输[20.］．缺陷状态对性能的作用也被许多研究小组提出[21.-23.］．Greiner等[21.和Vasilopoulou等人[22.最近报道了钼三氧化钼膜（MOO）_x和）由于前者中存在缺陷状态，优于化学计量的三氧化物膜。这些报告调用对MOO调查的兴趣₂作为中间层的薄膜。

在目前，我们讨论了对MOO的调查₂使用紫外光荧光光谱（UPS）和X射线照相光谱（XPS）沉积尝试和用氯铝酞菁（ALPC-CL）的裂解组成。我们调查了通过热蒸发的MOO沉积的薄膜的电子性质₂粉。在MoO的早期阶段₂薄膜的电子结构与热蒸发的MoO相似_3.薄膜(16.-19.那24.］．我们探测MOO的钼3D核心水平谱₂来自MoO的粉末和残留粉末₂蒸发船比较差异。我们观察到+6氧化态的强烈降低，而+4氧化状态几乎完好无损。我们还研究了沉积膜的界面形成（通过MOO的热蒸发₂用AlPc-Cl，对结果进行了讨论。

2.实验的细节

UPS测量使用VG ESCA实验室特高压系统，配备He放电灯。特高压系统由三个相互连接的室、分光计室、原位氧等离子体(OP)处理室和蒸发室组成。谱仪室的底压一般为8 × 10⁻¹¹ torr. The base pressure of the evaporation chamber is typically 1 × 10⁻⁶ torr. The UPS spectra were recorded by using unfiltered He I (21.22 eV) excitation, as the excitation source with the sample biased at −5.00 V to observe the low-energy secondary cutoff. The UV light spot size on the sample is about 1 mm in diameter. The typical instrumental resolution for UPS measurements ranges from 0.03 to 0.1 eV with the photon energy dispersion of less than 20 meV. XPS spectra were measured with a Surface Science Laboratories’ SSX-100 system equipped with a monochromatic Al anode X-ray gun (Kα1486.6 ev）。系统的基础压力为9×10⁻¹¹ torr. The spot size of the X-ray was selected to be 1000 micron in diameter. The resolution of this system is 0.5 eV. One of the substrate was a borosilicate glass from Corning, coated with 250 nm thick conducting ITO, with resistivity 15 Ω per square. The ITO substrate was treated in situ in oxygen ambience of 600 milli-torr at bias voltage of −500 V for 30 sec in the VG system’s evaporation chamber. Other substrates were cut from gold-coated Si wafer. All the substrates were roughly about 8 mm × 8 mm in size. All the substrates were ultrasonically cleaned before being loaded in to the UHV chambers. All the measurements were performed at room temperature.

3.结果与讨论

3．1.氧化铟锡(ITO)薄膜的MoO蒸发沉积₂粉末

从MoO热沉积薄膜₂用紫外光荧光光谱（UPS）研究了氧化铟锡（ITO）上的粉末。早期蒸发所需的电流比MOO热蒸发所需的电流高1.5倍_3.粉。MoO的热蒸发₂粉末是在VG ESCA系统的蒸发室中进行的，如实验细节所述。随着沉积的增加，蒸发变得更加困难，在64 Å以上，需要的电流是正常电流的两倍多，用于MoO的热蒸发_3.粉。在如此高的电流下，制备室的压力为~1 × 10⁻³ torr from usual 1 × 10⁻⁶由于温度过高，蒸发船最终损坏/熔化。

在图中1，随着热蒸发薄膜厚度的增加，给出了截止区(a)和价带区(b)的UPS数据。为了视觉清晰度，所有的光谱都归一化到相同的高度。在截断区域提供的数据提供了表面工作函数(WF)变化的快速可视化。经氧等离子体(OP-)处理的ITO表面的截止结合能(BE)位置为15.49 eV，减去光子能(21.22 eV)可以得到5.73 eV的WF。当蒸发膜厚度达到16Å时，WF先增大后减小。2 Å、4 Å、8 Å和16 Å厚度处的WF分别为6.28 eV、6.24 eV。6.42 eV, 6.48 eV。16 Å膜厚后WF开始下降，32 Å和64 Å膜厚时WF分别为5.72 eV和5.10 eV。初始(至16 Å厚度)WF的增强与氧化钼的+6和+5氧化态有关，而与+4氧化态无关。MoO报告的功函数值_3.薄膜为6.7±0.2 eV [13.-19.］．最高占据的分子轨道(HOMO)区域如图所示1（b）提供了一个快速可视化的占据能级(无机材料的价带区)的变化，相对于系统的费米能级，它位于结合能(BE)的几个eV内。在图中1（b），我们注意到从ITO到2Å薄膜厚度的价区域清晰的变化。含有2Å厚度，我们观察到三氧化钼峰，在4.25 eV时的峰值位置[15.］．增加moo₂4 Å、8 Å和16 Å厚度时，蒸发厚度的峰值位置分别为4.17 eV、4.09 eV和4.00 eV。价带峰向低BE方向移动~0.2 eV，类似于WF从2 Å厚度向16 Å厚度的移动。这些移动表明在MoO的界面上存在一个较小的电子陷阱_x/ ITO。在8 Å厚度处，我们观察到~1 eV附近有一个间隙态，在64 Å厚度处~2 eV附近开始出现另一个间隙态。初始厚度为2 Å和4 Å的价能带谱与热蒸发的MoO完全相似_3.电影[15.］．ALPC-CL / MOO的氯酰基形成存在_x无法确定接口，但不能完全排除[6.］．

３．２．XPS的牛叫声₂和残渣MoO₂粉末

为了进一步证实三氧化钼和次氧化钼比二氧化钼更容易在早期挥发，我们对MoO进行了x射线光电发射光谱(XPS)测量₂粉剂和渣油₂在蒸发船内部粉末〜20％的填充moo₂船上的火药蒸发了。两个牛叫声₂残粉与甲醇混合，使其像糊状物。将糊状物滴在金底物上，甲醇快速蒸发后自动干燥。然后将两个样品转移到SSX-100系统中进行XPS测量。

在图中2(一个)，Mo 3D核心水平呈现为moo₂粉末和残渣。我们观察了钼在MoO中的不同氧化态₂粉本身。高氧化态的存在令人困惑。高氧化态的形成可能是由于从空气中吸收氧或不稳定的MoO的分解₂分子进入金属和更高的氧化态。Moo之间的快速比较₂残渣生动地说明了高氧化态钼在残渣中的优先还原。在图中2 (b)，峰值拟合MO 3D光谱Moo₂进行粉末。峰值配件是用固定分离3D的3D_5/2和3d_3／2自旋轨道耦合分裂峰，固定面积比为3:2，半高宽相同。3d的位置_5/2钼的+4、+5和+6氧化态峰分别为228.83 eV、230.36 eV和232.00 eV。观察到的峰值位置与先前的报告很一致[21.那25.那26.］．测量钼+ 4，+ 5和+6氧化态的百分比强度分别为22％，19％和59％。在图中2（c），残基MoO的mo3d谱峰拟合₂粉。3d的位置_5/2+4、+5和+6态的峰值分别为228.77 eV、230.37 eV和232.01 eV。测定了+4、+5、+6氧化态的强度分别为37%、33%和30%。残渣中+4、+5氧化态强度降低较小，+6氧化态降低到四分之一。上述发现与我们在第一节中观测到的MoO的蒸发是一致的₂早期粉末主要产生MoO_3.沉积。

３．３．MoO的界面形成₂用氯铝酞菁（ALPC-CL）

在确信早期蒸发Moo₂导致MoO的沉积_3.在几纳米之后，用较低的氧化状态氧化钼的一点混合物，我们进行了Moo的界面形成₂蒸发膜与AlPc-Cl。界面的形成对于理解器件可能的性能至关重要，并可能对有机半导体与电极之间三氧化二钼与亚氧化物之间的性能增强的争议作出评论。MoO早期蒸发所需要的电流₂为MoO热蒸发所需电流的1.5倍_3.粉。在本研究中，Moo的热蒸发₂如实验部分所述，粉末是在VG ESCA系统内进行的。随着沉积的增加，蒸发变得更加困难，当厚度超过30 Å时，MoO热蒸发所需的电流是正常电流的两倍以上_3.粉。在如此高的电流下，制备室的压力为~1 × 10⁻⁵torr从通常的8 × 10⁻¹¹ torr, and we stopped further evaporation of MoO₂粉。AlPc-Cl沉积在制备室，在30 Å MoO的顶部₂粉蒸镀薄膜。

在图中3.， UPS数据绘制的截止区域(a)和最高占据分子轨道(HOMO)区域(b)随着MoO厚度的增加₂蒸发的薄膜，然后是ALPC-CL薄膜。为了视觉清晰度，所有的光谱都归一化到相同的高度。在图中3（a），测量金基底的WF为5.0eV。表面WF首先通过沉积5Å和10埃膜而增加，并分别测量为6.51eV和6.68eV。进一步沉积moo₂测量WF分别为6.25eV和5.49eV。由于具有较低氧化状态的氧化物的氧化物的贡献，或沉积MOO的暴露，WF减少可能是由于氧化钼的贡献_3.电影(17.-19.由于MoO的过热，不可避免的会造成腔内高压₂蒸发船，或两者的结合。在沉积30 Å膜后，我们在上面一层一层地沉积AlPc-Cl。随着AlPc-Cl的沉积，WF持续下降，在32 Å厚度处达到饱和值4.82 eV。在图中3（b），我们观察到来自基材的费米边缘。Moo的早期蒸发₂再次得到与MoO相似的价域光谱_3.[16.那17.］．随着ALPC-CL的沉积在30埃moo上₂电影，ALPC-CL的特征[16.那17.开始出现。AlPc-Cl的HOMO特征在4 Å到8 Å厚度之间变得突出，测量到的HOMO起点分别为0.45 eV和0.47 eV。随着AlPc-Cl厚度的进一步增加，无明显变化。

在AlPc-Cl/MoO的能级排列_3.接口(16.]显着不同于ALPC-CL / MOO₂蒸发的薄膜界面。在本案例中观察到0.45eV的早期同性恋物质值超过1.5倍的0.28eV观察到MOO_3.．在这种情况下，随着AlPc-Cl厚度的增加，能级基本持平，而在AlPc-Cl/MoO的情况下，存在较强的类带弯曲区_3.界面。在没有带弯曲区域的情况下，预期的孔提取不应有效。因此，用moo₂蒸发的薄膜中间层，在早期阶段，空穴注入屏障的较大值，后来没有漂移电场的情况会使效率较低。由于钼的氧化物的贡献与较低的氧化态的氧化物的贡献，或早期沉积的MOO的曝光，我们将这种变化归因于沉积的薄膜的低功函数。_3.电影。

4.结论

总之，我们提出了对MOO的调查₂与有机半导体的蒸发膜插入层和界面形成。我们观察到早期MoO₂蒸发结果在moo_3.沉积标记为高表面功效。在蒸发几十纳米之后，我们观察到沉积的膜具有较低氧化钼的贡献，标记为低功函数和突出的缺陷状态，在约2eV周围的结合能量。我们的X射线照片调查研究揭示了残留Moo中钼+6氧化状态的显着降低₂粉。ALPC-CL / MOO的界面形成₂蒸发膜导致AlPc-Cl中空穴注入阻挡层较高，且无带弯曲现象，影响器件性能。因此,减少牛叫声_3.氧化物可能表现得很好地减少了moo₂这会对设备性能产生有害影响。

承认

作者感谢美国国家科学基金会的支持。dmr - 1006098。

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