Μελέτη της διεπιφάνειας λεπτών οργανικών υμενίων με υποστρώματα γραφενίου
Loading...
Date
Authors
Ραβάνη, Φωτεινή
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Στην παρούσα διατριβή έγινε μελέτη με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (XPS) και υπεριώδες (UPS) αλλά και με φασματοσκοπία απωλειών ενέργειας ηλεκτρονίων (EELS), της ηλεκτρονικής δομής του οργανικού μορίου NPB (Ν’-diphenyl-N-N’-bis(1-naplthyl)(1,1’-biphenyl)-4,4’diamine) αλλά και των σχηματιζόμενων διεπιφανειών του με ολιγοστρωματικό και πολυστρωματικό (Ν~5) γραφένιο. Επίσης μελετήθηκε και η διεπιφάνεια μεταξύ ενός μεταλλικού αποθέτη, σε αυτή την περίπτωση τιτανίου, με υπόστρωμα γραφενίου. Για τις παραπάνω μελέτες έγιναν σταδιακές αποθέσεις οργανικού μορίου μέσω θερμικής εξάχνωσης του σε συνθήκες υπερυψηλού κενού και για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκε και κατάλληλη πηγή εξάχνωσης οργανικών μορίων. Για τη μελέτη της διεπιφάνειας τιτανίου/ γραφενίου η απόθεση του τιτανίου έγινε με πηγή εξάχνωσης από δέσμη ηλεκτρονίων.
Η πρακτική αξιοποίηση του γραφενίου σε μικροηλεκτρονικές διατάξεις έχει ήδη αποδειχθεί με τη χρήση του ως ηλεκτρόδιο σε OPVs αλλά και OLEDs. Από την άλλη πλευρά λεπτά υμένια NPB χρησιμοποιούνται ευρέως σε τέτοια συστήματα λόγω της δυνατότητας τους να διευκολύνουν τη μεταφορά οπών. Η πλειοψηφία αυτών των συστημάτων έχει στρωματική δομή λεπτών υμενίων και οι ιδιότητες τους καθορίζονται άμεσα από τις ηλεκτρονικές και χημικές ιδιότητες των σχηματιζόμενων διεπιφανειών.
Τα υποστρώματα του γραφενίου που χρησιμοποιήθηκαν, παρασκευάστηκαν μέσω καταλυτικής χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD). Η σύνθεση ολιγοστρωματικών γραφενίων έγινε σε υπόστρωμα Cu ενώ η ανάπτυξη σχετικά παχύτερων γραφενίων έγινε σε υπόστρωμα Ni. Η παρασκευή του πολυστρωματικού γραφενίου επιτεύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Μέσω φασματοσκοπίας Raman εκτιμήθηκε ο αριθμός αλλά και η ποιότητα των φύλλων του γραφενίου τα οποία κάλυπταν ανομοιόμορφα σχεδόν όλη, την επιφάνεια (1x1cm) του υποστρώματος νικελίου. Στο παραγόμενο ‘’γραφενικό χαλί’’ παρουσιάστηκαν έντονες κορυφογραμμές (wrinkles) ενώ το μήκος των απομονωμένων ομογενών γραφενικών μονοστρωμάτων ήταν της τάξης των 4.5 μm (SEM και AFM μετρήσεις), θέτοντας την παραγωγική διαδικασία που εφαρμόστηκε ικανή να συνεισφέρει στην πρακτική αξιοποίηση μεγάλων διαστάσεων γραφενίου στις προαναφερθείσες οργανικές εφαρμογές.
Στο πλαίσιο της απαίτησης για ατομικά καθαρές επιφάνειες αναπτύχθηκε πρωτόκολλο καθαρισμού της επιφάνειας του γραφενίου. Για το γραφένιο που αναπτύχθηκε στο υπόστρωμα Cu, αυτό περιελάμβανε θέρμανση σε συνθήκες υπερυψηλού κενού στους 300 - 450 oC ενώ για το γραφένιο που αναπτύχθηκε σε υπόστρωμα νικελίου η θέρμανση έπρεπε να γίνει στους 600 οC. Από μετρήσεις UPS φάνηκε υβριδισμός των π τροχιακών του γραφενίου με τα d τροχιακά του χαλκού ενώ αντίστοιχη αλληλεπίδραση δεν εντοπίστηκε στο νικέλιο .
Η χημική ταυτοποίηση (με XPS) αλλά και η καταγραφή της ζώνης σθένους (με UPS) του οργανικού μορίου έγιναν μετά από απόθεση του σε ιοντοβολημένη επιφάνεια ελάσματος Au. Από τα πειραματικά αποτελέσματα κατά το σχηματισμό των εν λόγω διεπιφανειών προέκυψε ότι το φράγμα έγχυσης οπών είναι σταθερό και σχεδόν μικρότερο της μονάδος ανεξαρτήτως του πάχους του γραφενικού υποστρώματος κάτι το οποίο είναι πολύ σημαντικό για την πιθανή χρήση των παραπάνω συστημάτων σε διατάξεις OLEDs και OPVs. Η διάταξη των μορίων στα δύο υποστρώματα είναι διαφορετική με την παράλληλη διάταξη (μετρήσεις XPS) να εντοπίζεται στο παχύτερο γραφένιο και την κάθετη (μετρήσεις XPS) στο λεπτότερο. Και οι δυο ακραίες διαμορφώσεις ενός μορίου NPB σε ένα ιδεατό φύλλο γραφενίου, όπως διαπιστώθηκε μέσω θεωρητικών μελετών που εφαρμόστηκαν συνεπικουρικά στην παρούσα διατριβή, είναι ενεργειακά χαμηλές. Στο λεπτότερο γραφένιο όπου και εντοπίστηκε πτώση του επιπέδου κενού, παρατηρήθηκε αμελητέο (στα όρια του σφάλματος) επιφανειακό δίπολο σε αντίθεση με το παχύτερο γραφένιο όπου παρατηρήθηκε δίπολο της τάξης των 0.4 ± 0.05 eV, με ταυτόχρονη άνοδο του επιπέδου κενού. Ίσο-μετατοπίσεις που παρατηρήθηκαν, και στα δύο συστήματα, στα φάσματα των κύριων φωτοκορυφών XPS αλλά και των χαρακτηριστικών κορυφών της στοιβάδας σθένους του NPB (UPS), αποδόθηκαν σε κάμψη ζωνών του οργανικού υμενίου το μέγεθος της οποίας ήταν της τάξης των 0.3 ± 0.05 eV στο πολυστρωματικό και 0.35 ± 0.05 eV στο ολιγοστρωματικό γραφένιο, αντίστοιχα. Με τη βοήθεια των φασματοσκοπιών UPS και EELS εκτιμήθηκε και η τιμή του ενεργειακού χάσματος του οργανικού μορίου NPB αποδίδοντας με αυτόν τον τρόπο το πλήρες ενεργειακό διάγραμμα του, εξ’ ολοκλήρου από μετρήσεις επιφανειακά ευαίσθητων τεχνικών. Από μελέτη της θερμικής σταθερότητας των συστημάτων προέκυψε ότι το σύστημα NPB / λεπτότερο γραφένιο είναι θερμικά σταθερότερο από το NPB / παχύτερο γραφένιο για θερμοκρασίες πάνω από 100 οC.
Όπως προαναφέρθηκε, μελετήθηκε και η διεπιφάνεια τιτανίου με γραφένιο ανεπτυγμένο σε έλασμα Cu. Το τιτάνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες ηλεκτρονικές εφαρμογές βασισμένες στον άνθρακα κυρίως ως ωμική επαφή. Η υψηλή χημική ενεργότητα του τιτανίου σε συνδυασμό με το γεγονός ότι στην επιφάνεια του γραφενίου υπάρχουν οξειδωμένα επιφανειακά είδη ακόμα και μετά τη διαδικασία καθαρισμού του είναι η κύρια αιτία σχηματισμού διάφορων διεπιφανειακών ειδών όπως TiOx και OTiC αλλά και καρβιδίου (TiC).
Description
Keywords
Επιστήμη επιφανειών, Χαρακτηρισμός και σύνθεση γραφένιου, Οργανικά μόρια, Διεπιφάνειες οργανικό γραφένιο, μέταλλο/γραφένιο, Χημική εναπόθεση ατμών, Έργο εξόδου-ενεργειακά διαγράμματα-καταγραφή ζώνης σθένους