分子束沉积过程中高灵敏度的原位和实时差分反射光谱

有机半导体薄膜器件是各种光电应用的有前途的候选者，如有机发光二极管显示器和半透明太阳能电池。bob综合app官网登录有机半导体的其他优点之一是，通过选择合适的生长条件，化学地改变分子结构或物理地改变分子排列，可以极大地改变薄膜的光学性质。在本工作中，我们研究了有机半导体二独立苝(DIP, C₃₆H₁₆，图1). DIP提供高达0.1 cm的载流子迁移率²/Vs，较长的激子扩散长度和约4%的功率转换效率^[２]．

图1:二独立苝(DIP)的结构

由于第一层单分子层的生长方式将影响整个薄膜的晶体结构，因此需要一个高灵敏度的测量装置来监测从第一层亚单分子层开始的生长过程。差分反射光谱(DRS)是一种光学方法，已被证明足够灵敏，可以探测单个单层分子。^(3、4、5)．在DRS中，测量薄膜R(d,t)的反射率以及裸基底R(0,0)的反射率，并根据以下公式进行归一化:

方法

我们的DRS测量装置包括一个75 W x -灯，具有被动冷却，高功率稳定性(LOT-Oriel)和PI Acton光谱仪，以及Andor Technology Newton DU920P-OE CCD探测器。样品是通过在高真空(HV)下将dip分子热蒸发到玻璃基板上制备的。光学装置通过带有反射探头(LOT Oriel)的光纤耦合到真空室(图2)。

图2:DRS测量的实验设置该光学元件通过光学反射光纤耦合到特高压室。用透镜将光聚焦到样品上并从样品中收集。

超便携真空室顶部装有石英玻璃窗，样品架周围装有铍窗，可以在有机分子束沉积OMDB(有机分子束沉积)过程中同时进行x射线散射和光学光谱实验。与激光二极管结合，由于CCD的高灵敏度，光学装置也可用于原位荧光和拉曼光谱。

玻璃基板一侧被磨粗以避免背面反射，然后用异丙醇和超纯水在超声波浴中清洗。薄膜生长速率约为3 nm/min。

监测玻璃上DIP的生长情况

我们的DRS设置允许我们在OMBD增长期间现场和实时采集DRS信号。为了在差分反射率光谱中实现高灵敏度和良好的时间分辨率，CCD的大动态范围是必要的，因为检测大反射率信号中的小差异需要检测高光子数。在大多数情况下，时间分辨率低于一秒。采集时间约为1毫秒，但这里使用平均超过1000个光谱来提高信噪比。

图3:生长过程中DIP的DRS光谱。1个单层对应约1.7 nm的厚度。

图3显示了玻璃上DIP生长过程中DRS信号的时间演化。随着薄膜变厚，所有特征都表现出轻微的红移。有趣的是，在2.85 eV处的模态，在文献中被称为DIP的第四模态，随着薄膜厚度的增加而增强。有人提出，弗伦克尔激子可能导致第四模的这种厚度依赖行为^[6]．人们还可以识别出最低能量π - π *-跃迁的电子级数，在2.25 eV, 2.45 eV和2.65 eV出现三个宽峰。

此外，在3.5 eV和4.3 eV的uv区还存在两个尚未观测到的强吸收特征。

即使薄膜厚度为1.7 nm，也可以获得较好的DRS信号信噪比，即低于1单层DIP。采用基于波动光学矩阵形式的拟合程序对DRS数据进行拟合，可从DRS信号中提取吸收光谱^[7]．在薄膜厚度远低于波长λ和透明基片以及ε的极限情况下，这种形式可以简化₂可以直接从DRS信号通过计算方程

n_子作为衬底的折射率，d表示薄膜厚度，λ表示波长。使用这种近似的亚单层DIP薄膜，介电常数ε的虚部₂图4所示的数据可以从DRS测量中提取出来。在2.25 eV到2.85 eV之间存在4个弱模，而在3.5 eV和4.3 eV处观察到较强的吸收特征。即使厚度低于3 Å也能提供信噪比>12，这是研究超薄膜的介电特性的重要依据。

图4:玻璃上DIP介电常数在1层以下区域的虚部。吸收特性对于有机光电等应用非常重要bob综合app官网登录

结论

利用我们的新光学装置，我们能够在玻璃上的DIP薄膜生长过程中获得0.1到14层单层之间的时间分辨原位DRS光谱，具有出色的灵敏度和1秒的时间分辨率。我们发现在紫外区域有非常强的吸收特征，即使是低于1单层的超薄膜厚度也存在。

该装置可作为分子薄膜生长的标准现场监测工具，具有良好的时间分辨率。此外，高灵敏度的检测开辟了更多的可能性，如光学测量自组装单层或实时荧光和拉曼光谱在薄膜生长过程中使用激光照明。

确认

感谢柏林洪堡大学物理研究所Stefan Kowarik教授提供的信息和数据。

参考文献

1. 科赫，化学生理学，第8卷，第10期(2007)
2. J. Wagner, M. Gruber, A. Hinderhofer, A. Wilke, B. Bröker, J. Frisch, P. Amsalem, A. Vollmer, A. Opitz, N. Koch, F. Schreiber, W. Brütting, ad . Funct。《母刊》20,4295-4303 (2010)
3. R. Forker, T. Fritz，超薄外延有机薄膜的光学微分反射光谱，PCCP (2009)
4. 海因迈耶，布洛克。Hinderhofer, Kytka, R. Scholz, A. Gerlach, F. Schreiber, Phys。Rev. let . 104, 257401 (2010)