半导体表面化学修饰方法及其光电性质的研究

论文摘要

近年来,随着纳米电子学、分子电子学的兴起与发展,有机单层膜与半导体共价联接的杂化材料受到广泛的关注。功能分子修饰的半导体表面为研究纳米乃至单分子的光电性能提供了良好的平台,并在光电开关、信息存储、晶体管、传感器及其它智能器件方面具有广泛的应用前景。在本论文中,我们研究了有机功能分子在半导体表面的光电行为,利用有机分子与半导体的杂化表面构建光电功能阵列;利用化学沉积方法制备了掺硼金刚石半导体薄膜,进一步修饰了偶氮苯分子并对该杂化表面的光化学及电化学行为进行了研究。本论文主要内容如下:1.合成了含有乙烯基的偶氮苯4-N,N-dimethylamino-4′-ethynyl-azobenzene （DMAEAB）,并对其光学性能进行了测试。采用光化学方法将DMAEAB修饰到经过NH4F溶液处理过的硅（111）表面;并从浸润性、红外光谱及光电子能谱方面对DMAEAB单层膜进行了表征。通过紫外-可见光交替照射来改变偶氮苯单层膜的异构状态,检测了DMAEAB处于不同状态时的浸润性、表面形貌及导电性能。并利用HyperChem MM+ force field方法模拟了DMAEAB单层膜在硅（111）表面的形态。该杂化表面在光开关及信息存储领域具有潜在的应用。2.制备了掺硼的金刚石半导体薄膜,用拉曼光谱对其进行了表征,利用扫描电子显微镜（SEM）以及原子力显微镜（AFM）对其形态和表面形貌进行了观察,并利用导电探针原子力显微镜（CP-AFM）及四探针半导体分析仪对其导电性做了分析。将含有乙烯基的偶氮苯DOAA化学修饰到等离子体处理过的金刚石表面,并对修饰在金刚石表面的DOAA单层膜的光化学及电化学特性进行了研究,发现DOAA分子呈现不同的异构状态时,其表现出不同的电化学行为。同时,结果进一步证明导电金刚石薄膜是研究具有电化学活性单层膜的良好的电极材料,为研究电化学活性的单分子膜提供了优良的实验平台。该DOAA分子与金刚石构建的杂化材料在电化学存储、智能界面及光子计数器方面具有潜在的应用前景。3.合成了含有乙烯基的丁二炔DA-4AS,利用热引发的方法将DA-4AS修饰到硅（111）表面,并从浸润性、红外光谱及光电子能谱方面对该表面进行了表征,同时利用椭圆偏振光谱法计算出DA-4AS单层膜的厚度,结合利用分子模拟软件Material Studio计算出的分子长度,得到DA-4AS单层膜的倾斜角。进一步在DA-4AS-Si（111）表面旋涂DA-4AS,加掩膜光照后得到了直径为5μm,间距为20μm的聚丁二炔阵列,利用AFM观察了其形貌,荧光共聚焦显微镜观察到了与掩膜对应的荧光图案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 有机分子与无机半导体杂化的意义
• 1.1.1 调控半导体的导电性能
• 1.1.2 为纳米电子学、分子电子学提供理想的光电研究平台
• 1.1.3 有机分子与无机半导体杂化而构建的器件
• 1.2 硅和金刚石半导体的化学修饰方法
• 1.2.1硅半导体的化学修饰方法
• 1.2.1.1 带有氧化层的硅表面的修饰方法
• 1.2.1.2 热引发方法修饰疏水硅表面
• 1.2.1.3 光化学方法修饰疏水硅表面
• 1.2.1.4 重氮盐与疏水硅表面的反应
• 1.2.1.5 末端炔有机化合物与硅表面的反应
• 1.2.1.6 醛基及羟基有机化合物与疏水硅表面的反应
• 1.2.1.7 α-溴，ω-羧基有机酸与疏水硅表面的反应
• 1.2.1.8 有机硅烷与疏水单晶硅表面的接枝反应
• 1.2.1.9 激光辅助的硅表面化学修饰
• 1.2.1.10 硝基苯及其衍生物与疏水硅表面的DCR反应
• 1.2.1.11 硅表面聚合反应
• 1.2.1.12 硅表面修饰生物大分子的方法
• 1.2.2 金刚石半导体的修饰方法
• 1.2.2.1 末端烯烃与等离子体处理过金刚石的反应
• 1.2.2.2 烷基重氮盐分子修饰金刚石表面
• 1.2.2.3 直链有机硫修饰金刚石表面
• 1.2.2.4 全氟偶氮化合物与金刚石表面的反应
• 1.2.2.5 二酰基过氧化何物辅助下的自由基反应修饰金刚石表面
• 1.2.2.6 己酰氯与氧化的金刚石表面的反应
• 1.2.3 其他半导体的修饰方法
• 1.2.3.1 导电玻璃ITO 的修饰
• 1.2.3.2 砷化镓（GaAs）半导体的修饰
• 1.2.3.3 碳纳米管（CNT）的修饰方法
• 1.2.3.4 石墨和石墨烯的表面修饰
• 1.2.3.5 碳化硅半导体表面修饰
• 1.2.3.6 二元金属化合物半导体的修饰
• 1.3 有机单层膜与半导体构建的各种器件
• 1.3.1 修饰有机分子来调节晶体管的电学行为
• 1.3.2 电化学器件方面的应用
• 1.3.3 金刚石电化学传感器，检测方面的应用
• 1.3.4 在一维半导体表面修饰构筑的传感器件
• 1.4 本文的主体思想
• 1.5 参考文献
• 第二章 偶氮苯单层膜修饰的单晶硅表面导电性调节
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂和仪器
• 2.2.1.1 主要试剂
• 2.2.1.2 主要仪器
• 2.2.2 末端炔基偶氮苯的合成与表征技术
• 2.2.3 偶氮苯的光致异构性的表征
• 2.2.4 偶氮苯单层膜的制备
• 2.2.5 硅（111）表面偶氮苯单层膜的可逆光致异构化效应
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 偶氮苯单层膜的制备
• 2.3.2 接触角表征单层膜的光致异构性
• 2.3.3 DMAEAB单层膜的光电子能谱（XPS）表征
• 2.3.4 XPS 定量分析DMAEAB单层膜的接枝率
• 2.3.5 DMAEAB单层膜的红外光谱
• 2.3.6 DMAEAB单层膜的稳定性
• 2.3.7 偶氮苯单层膜光致异构前后的形貌变化
• 2.3.8 偶氮苯单层膜光致异构前后的电学表现
• 2.3.9 DMAEAB修饰的硅表面的模拟结果
• 2.4 本章小结
• 2.5 参考文献
• 第三章 偶氮苯修饰的导电金刚石薄膜的制备、表征及光电化学行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂和仪器
• 3.2.1.1 主要试剂
• 3.2.1.2 主要仪器及设备
• 3.2.2 金刚石膜的制备
• 3.2.3 偶氮苯光致异构性的表征
• 3.2.4 金刚石表面DOAA单层膜的制备
• 3.2.5 金刚石表面偶氮苯单层膜的可逆光致使异构效应
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 金刚石薄膜的制备、表征与测试
• 3.3.2 金刚石表面DOAA单层膜的制备
• 3.3.3 接触角表征DOAA单层膜的异构效应
• 3.3.4 DOAA单层膜的光电子能谱（XPS）
• 3.3.5 DOAA单层膜的红外光谱（IR）
• 3.3.6 DOAA单层膜稳定性
• 3.3.7 DOAA单层膜光电化学性能
• 3.4 结论
• 3.5 参考文献
• 第四章 单晶硅表面化学修饰的聚丁二炔阵列的制备及其荧光图案化
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂和仪器
• 4.2.1.1 主要试剂
• 4.2.1.2 主要仪器
• 4.2.2 丁二炔的合成与表征
• 4.2.3 丁二炔单层膜的制备
• 4.2.4 聚丁二炔阵列的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 丁二炔的光学性能
• 4.3.2 单层膜的制备与表征
• 4.3.2.1 DA-4AS单层膜的制备
• 4.3.2.2 膜的高度与倾斜角
• 4.3.2.3 膜的光电子能谱
• 4.3.2.4 膜的红外光谱
• 4.3.3 阵列的制备及阵列的形态
• 4.3.4 阵列的荧光图案化
• 4.4 结论
• 4.5 参考文献
• 结论
• 攻读博士期间论文发表情况
• 致谢