共振光电子能谱研究PTCDA/Au(111)界面结构及电荷传输动力学

　　有机半导体在有机平板显示、光伏太阳能电池(OPVCs)等领域具有巨大的应用前景。在这些有机光电器件中，有机分子在金属电极表面的取向结构以及界面电子耦合影响界面电荷传输过程，进而决定器件的性能。例如，分子有序平铺排列能提高界面电荷传输时间；超快界面电荷传输能有效克服各种能量损失，提高光电转化效率。

　　基于同步辐射软X射线近边吸收精细结构谱(NEXAFS)和共振光电子能谱(RPES)的芯能级空穴时钟谱(Core-hole clock spectroscopy)是一种新颖的研究有机/无机界面电荷传输时间的技术：它以芯能级空穴的寿命(~6fs)为参照，可以测量飞秒甚至亚飞秒的界面电荷传输时间。同时角分辨NEXAFS谱也是原位研究有机分子取向的理想方法之一。依托北京同步辐射装置-4B9B光电子能谱实验站和新加坡光源，中国科学技术大学表面科学研究组利用角分辨NEXAFS技术和芯能级空穴时钟谱技术对PTCDA分子在Au(111)表面的分子取向、界面电荷传输时间及弱电子耦合体系下分子取向对界面电荷传输的影响进行了深入的研究。角分辨NEXAFS谱说明，PTCDA分子主要是有序平铺在衬底表面。RPES结果说明PTCDA/Au(111)界面电荷传输时间远大于C1s芯能级空穴的寿命(6fs)，这种较慢的电荷传输时间主要是由于PTCDA分子与衬底之间的弱电子耦合导致的。虽然弱电子耦合有利于PTCDA分子的有序排列，但是实验结果充分说明这种弱电子耦合不利于界面之间的电荷传输，因此金电极并不是PTCDA基有机光电器件的理想电极材料。该研究成果发表在2011年11月1日的《Journal of Chemical Physics》上。　　

　　图1单层(a)和多层(b)PTCDA薄膜的C K-边角分辨NEXAFS谱。插图为实验时空间结构图。由图中可以看出，p*共振峰的强度随入射角度的减小而增强，而s*具有相反的角度依赖性。　

　　图2 单层(a)和多层(b)PTCDA薄膜在Au(111)表面的二维RPES谱。最下面的谱图为相应的价带谱，激发能量为60 eV，左侧的图谱为相应的NEXAFS谱。一般情况下，多层膜时，界面电荷传输可以忽略，因为分子与衬底作用很弱，因此能观察到较强的共振峰结构(如图2b虚线所示)；单层膜时，相应的共振结构会由于界面受激电子到衬底导带的传输过程而减弱甚至消失。但是对于PTCDA/Au(111)体系，单层膜时仍能看到较强的共振峰结构(图2a)，这说明受激电子并没有转移到衬底导带。

　　对于芯能级空穴时钟谱在该体系中的应用，J. Chem. Phys.审稿人给予很高的评价：“该论文为芯能级空穴技术在有机/金属界面的应用提供重要的数据支持，这是一个具有挑战性的领域，该应用的意义远超过利用共振光电子能谱研究有机/宽带隙半导体(如TiO2)界面。”

　　该研究证明了PTCDA分子与Au(111)之间的相互作用的本质，揭示了弱电子耦合体系中分子取向对界面电荷传输的影响。更重要的是，该研究为芯能级空穴技术在有机/无机体系中的应用奠定了基础。目前，实现该技术的北京同步辐射能谱实验站正进行升级调试，崭新的实验站将装配先进的Scienta R4000能量分析器以及不同功能的腔体，我们希望利用新装置做出更高水平的工作。

　　发表文章：

　　Liang Cao, Yu-Zhan Wang, Tie-Xin Chen, Wen-Hua Zhang, Xiao-Jiang Yu, Kurash Ibrahim, Jia-Ou Wang, Hai-Jie Qian, Fa-Qiang Xu,* Dong-Chen Qi,*Andrew T. S. Wee*, Charge transfer dynamics of PTCDA molecules on Au(111) probed by resonant photoemission spectroscopy, Journal of Chemical Physics, 2011, 135, 174701.