一种测量有机半导体异质结物理特性的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种测量有机半导体异质结物理特性的方法及系统，该系统包括加热系统、真空系统、实验腔体和测量仪表，能够提供E‐7级高真空环境。通过在基底上逐层镀膜，每次镀膜后，在E‐7级高真空环境下进行场发射实验，可以测量不同种类的有机半导体材料形成异质结后的能带变化，进而判断出该组合是否适合光电器件(如有机太阳能电池、有机发光二极管)的制备。此外，这一方法大大节省了测量有机半导体异质结能带弯曲值的成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体材料特性测量领域，涉及一种测量有机半导体异质结物理特性的方法及系统。
技术介绍
金属与半导体接触时，由于金属的费米能级和半导体的费米能级不同，存在电子在金属和半导体之间的流动，最终达到平衡状态。由于半导体中自由电荷密度的限制，这些电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面层内，形成空间电荷区。空间电荷区内部存在一定的电场，造成能带的弯曲。不同的半导体与半导体接触形成异质结时，同样因为费米能级的不同，存在空间电荷区，进而存在内建电场，形成空间电荷区的能带弯曲。Fowlar和Nordhein用量子力学的观点解释了场致电子发射现象，场致发射的电流密度与电场强度、逸出功和温度有关，电场增强时，产生两个作用：一是势垒高度降低，二是势垒宽度减小。场发射理论对于金属和半导体同样适用。目前，已经成熟的电子发射理论给出，在考虑表面态和场渗透因素的情况下，半导体场致发射电流密度公式为: J ( ξ , T ) = em k B T 2 π 2 ( h 2 π ) 2 * ∫ exp [ - Q ( w ) ] ln [ 1 + exp ( - w - E f k B T ) ] dw ]]>由于大部分的电子束来自于费米能级附近，所以：-Q(w)＝-b0+c0(W-Ef)-…可以近似取前两项，其中：在T＝0K下，则可以化简为著名的F‐N公式：利用以下公式求出Δφ，其中Δφ为每次镀膜后空间电荷区能带弯曲值，Δs为每次镀膜后F-N曲线斜率的差值。有机半导体异质结是否存在能带弯曲呢？目前还没有比较完备的测量方法用以测量及证明有机半导体异质结能带弯曲的存在。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量有机半导体异质结物理特性的方法及系统，利用传统的表面科学技术和自主创新的逐层镀膜方式测量并证明在某些有机半导体异质结空间电荷区存在能带的弯曲。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种测量有机半导体异质结物理特性的方法，包括以下步骤：1)制备场发射针尖；2)在场发射针尖上蒸镀一层有机半导体薄膜做为基底，然后在该基底上蒸镀与基底材料不同的有机半导体薄膜，与基底构成有机半导体异质结，其中，基底的蒸镀厚度大于场发射针尖与基底上的有机半导体薄膜之间的空间电荷区长度；3)在基底上逐层镀膜，每次镀膜后，在e‐7级高真空环境下进行场发射实验，描绘F‐N曲线，并通过每次镀膜后测量出的F‐N曲线斜率变化计算出能带的弯曲值。进一步地，步骤1)中，所述场发射针尖包括在高场发射电压(1000V以下)下稳定的金属材料(因为有电焊环节所以选金属材料)，优选钨针尖，所述钨针尖通过电化学腐蚀方法制备。进一步地，步骤2)中，所述基底及基底上蒸镀的有机半导体薄膜的材料选自CuPC、C60、ZnPc、PTCBI等有机小分子物质。进一步地，所述有机半导体异质结包括CuPC(基底)/PTCBI(蒸镀材料)、PTCBI(基
底)/CuPC(蒸镀材料)、C60(基底)/CuPC(蒸镀材料)、CuPC(基底)/C60(蒸镀材料)。优选CuPC(基底)/PTCBI(蒸镀材料)、PTCBI(基底)/CuPC(蒸镀材料)。进一步地，基底的厚度最好在10nm以上，这样可以避免来自场发射针尖的影响。对于CuPC(基底)/PTCBI(蒸镀材料)而言，CuPC基底的厚度为10nm时，10nm大于钨与PTCBI这两种材料的空间电荷区长度，从而避免钨金属与PTCBI接触，进而避免影响PTCBI逸出功的测量。进一步地，蒸镀厚度和次数受膜厚仪的精度以及有机半导体异质结空间电荷区的宽度的影响，因此每层厚度为1‐4nm之间的整数，蒸镀次数至少三次，优选为有机半导体异质结的空间电荷区厚度范围内允许的最大值(蒸镀次数越多越好)，如果每次镀膜后测得的斜率数据是规律性地递增递减，这样可以使数据更具说服力。对于CuPC(基底)/PTCBI(蒸镀材料)而言，PTCBI有机半导体薄膜每层的厚度为2nm，镀四次。进一步地，步骤3)场发射实验中所加场发射电压不能太大(低于1000V)，电压过大导致场发射电流过大，可能损坏针尖。一种测量有机半导体异质结物理特性的系统，包括：加热系统、真空系统、实验腔体和测量仪表，其中：所述加热系统用于将整个真空系统密封并对其进行加热，利用加热去除真空系统内器壁上参与的气体分子，从而在冷却后达到更高的真空级别；所述真空系统又包括机械泵、分子泵和离子泵，所述机械泵用于粗抽真空，将真空度降到5Pa以下，所述分子泵用于细抽真空，使真空度达到e‐4级别；所述离子泵用于细抽真空至e‐7级别的高真空；所述测量仪表用于实验过程中数据的测量与记录，便于对实验各个环节的有效控制；所述实验腔体用于进行场发射实验。进一步地，所述加热系统包括多个加热装置，所述加热装置安装于真空系统的底座和四周。进一步地，所述加热系统的加热温度控制在200度以内，以免温度过高对仪器造成损坏。进一步地，所述测量仪表包括蒸发电源、真空仪、温控仪、电流表和膜厚仪，所述蒸发电源用于在场发射针尖上蒸镀半导体薄膜；所述真空仪用于测量实验腔体的真空度；所述温控仪用来测量实验腔体的外部温度；所述电流表用于测量场发射实验过程中的电流值；所述膜厚仪用于测量蒸镀的有机半导体薄膜的厚度。进一步地，所述实验腔体包括：电流导出接线柱、阴极、近阳极、晶振片和样品舟，所
述电流导出接线柱与电流表相连；所述阴极用于为场发射针尖加负高压；所述近阳极用于收集场发射电流；所述晶振片用于控制在场发射针尖上蒸镀的有机半导体薄膜的厚度；所述样品舟用于存放有机蒸镀材料。本专利技术的有益效果如下：利用本专利技术提供的测量有机半导体异质结物理特性的方法及系统，可以测量不同种类的有机半导体材料形成异质结后的能带变化，进而判断出该组合是否适合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量有机半导体异质结物理特性的方法，包括以下步骤：1)制备场发射针尖；2)在场发射针尖上蒸镀一层有机半导体薄膜做为基底，然后在该基底上蒸镀与基底材料不同的有机半导体薄膜，与基底构成有机半导体异质结，其中，基底的蒸镀厚度大于场发射针尖与基底上的有机半导体薄膜之间的空间电荷区长度；3)在基底上逐层镀膜，每次镀膜后，在e‐7级高真空环境下进行场发射实验，描绘F‐N曲线，并通过每次镀膜后测量出的F‐N曲线斜率变化计算出能带的弯曲值。

【技术特征摘要】
1.一种测量有机半导体异质结物理特性的方法，包括以下步骤：1)制备场发射针尖；2)在场发射针尖上蒸镀一层有机半导体薄膜做为基底，然后在该基底上蒸镀与基底材料不同的有机半导体薄膜，与基底构成有机半导体异质结，其中，基底的蒸镀厚度大于场发射针尖与基底上的有机半导体薄膜之间的空间电荷区长度；3)在基底上逐层镀膜，每次镀膜后，在e‐7级高真空环境下进行场发射实验，描绘F‐N曲线，并通过每次镀膜后测量出的F‐N曲线斜率变化计算出能带的弯曲值。2.如权利要求1所述的测量有机半导体异质结物理特性的方法，其特征在于，步骤1)中，所述场发射针尖为在1000V以下的场发射电压条件下稳定的金属材料。3.如权利要求1所述的测量有机半导体异质结物理特性的方法，其特征在于，步骤2)中，所述基底及基底上蒸镀的有机半导体薄膜的材料包括CuPC、C60、ZnPc或PTCBI。4.如权利要求3所述的测量有机半导体异质结物理特性的方法，其特征在于，所述有机半导体异质结包括CuPC基底/PTCBI蒸镀材料、PTCBI基底/CuPC蒸镀材料、C60基底/CuPC蒸镀材料、CuPC基底/C60蒸镀材料。5.如权利要求1所述的测量有机半导体异质结物理特性的方法，其特征在于，所述基底的厚度在10nm以上，基底上蒸镀的有机半导体薄膜每层的厚度为1‐4nm之间的整数，蒸镀至少三次。6.如权利要求1所述的测量有机半导体异质结物理特性的方法，其特征在于，步骤3)场发射实验中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢英杰，李帅，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11