PTCDA分子薄膜的制备与表征

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1、PTCDA分子薄膜的制备与表征摘要纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，而有机分子薄膜则是在晶粒尺寸为纳米级由有机分子构成的膜层致密的薄膜。有机分子薄膜在现在有着广泛的应用，兼具传统复合材料和现代纳米材料二者的优越性，应用于高性能材料、高密度信息存储和分子传感器等多个领域。实验通过真空热蒸发方法在高定向热解石墨（HighlyOrientedPyrolyticGraphite,HOPG）基底上镀膜制备苝四甲酸二酐（3,4,9,10-perylenetetracarboxylicaciddianhydride,PTCDA）

2、分子薄膜，并用原子力显微镜（AFM）对薄膜进行表征，探寻制备表面平整且厚度均匀薄膜的最佳条件。通过对蒸发温度、蒸发时间进行控制，研究不同情况下PTCDA分子薄膜的形成情况，并以此总结出一定规律，为PTCDA分子的可控生长起到一定的参考作用。关键词苝四甲酸二酐单分子薄膜生长模式原子力显微镜表征前言1有机分子分子薄膜上个世纪60年代开始，发现了一些有机分子具有半导体特性，由此开启了有机材料作为物理功能(光、电、磁)材料的研究。一般来说，有机材料是指具有光电磁物理特性的有机化合物和聚合物。研究该方面具有重大意义以及应用价值，原因有三：一是其大破了传统对于有机物不能导电、没有磁性的概念；

3、二是其电子状态、导电机理和杂质的影响和无机材料不同；三是其在信息存储通讯、能源、仿生等方面有诱人前景。同时，有机材料的出现，为科学家突破目前无机半导体材料的限度提供了新的途径，也产生了基于有机功能薄膜的纳米器件甚至分子器件的设想。目前，有机功能薄膜的研究主要包括制备方法、形貌与结构的表征、光电磁等物理性能的研究以及它们在纳米器件和分子器件方面的应用，涉及化学、物理、电子学等学科，属新型前沿交叉研究领域。目前有机薄膜制备方法一般分为三类，一是物理气相沉淀法（PVD)，包括蒸发、溅射、离子镀、电弧镀、等离子体镀、离子团束(ICB)和分子束外延生长（MBE）等方法；二是化学气相沉淀法（

4、CVD），包括气相沉积、液相沉积、电解沉积、辉光放电沉积和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）等方法；三是其他特殊方法，有甩膜、离子注入、激光助沉积、L-B（Langmul-Bledgett）技术、自组装技术以及反胶束技术等方法。对于有机纳米器件来说，有机功能薄膜制备方法非常重要，不同方法制备的薄膜质量不同，这将直接影响器件的效率，同时，制备方法直接影响到产业化中的器件制备成本。实验选取的是自组装技术。2PTCDA分子苝四甲酸二酐（3,4,9,10-perylenetetracarboxylicaciddianhydride，PTCDA）是一种重要的工业染料，别名是颜料红224（

5、PigmentRed224），性状是鲜红色粉末，分子式C24H8O6，分子量392.32，熔点>300℃(lit)，危险代码：Xi，危险等级：36/37/38，安全等级：26-36。分子式如图1.1所示[1]。图1苝四甲酸二酐分子结构经过密度泛函理论密度泛函理论（Densityfunctionaltheory，DFT）的计算可知PTCDA分子是平面结构，在自然状态下所有原子均在一个平面内[2]。苝四甲酸二酐（PTCDA）分子是一种被广泛研究的有机半导体的分子模型。在许多表面PTCDA分子微晶会形成两种团簇多晶型结构“α”和“β”[3]。这些微晶通常按照平行于表面方向的（102）晶

6、向生长，在多种不同碱金属卤化物（例如NaCl）表面生长超过一个单层膜（1ML）厚度的PTCDA分子膜是一个被广泛研究的课题。而在石墨表面研究PTCDA分子的生长对于制作石墨基底上PTCDA导电分子结构器件有重大意义。根据《Oriented2DCovalentOrganicFrameworkThinFilmsonSingleLayerGraphene》[4]的研究，PTCDA分子与三聚氰胺分子（Melamine）类似，相互之间可能发生脱水缩合反应，这就可能使PTCDA分子膜形成特殊的形貌和结构。实验即是在此思想的引导下设计实验探究PTCDA分子膜的性质的。实验设备和原理薄膜的成核长

7、大过程相当复杂，它包括一系列的热力学和动力学过程，其中的具体过程有：原子沉积到衬底、从衬底再蒸发、在衬底、晶核上表面互扩散、成核、长大等过程。这些过程都是随机的，需要用热力学和动力学的知识进行解释。实验与数据分析结论及总结从目前的实验中我们得到以下结论：一：PTCDA分子在初期生长是是点状生长，并且优先生长于基底表面缺陷处，如瑕疵和台阶。二：蒸发时间与蒸发温度对膜厚度正相关。三：PTCDA形成分子岛的颗粒直径大小约为200nm~300nm，高度约为0.5nm~2nm。致谢参考文献