【摘要】 共轭有机半导体分子的带隙由其占据π和未占据π*电子态之间的能量差来定义。

有机半导体广泛应用于光电器件，如有机发光二极管、有机光伏电池、有机场效应晶体管等。为了优化器件性能，能隙和能级位置，即最高已占据分子轨道带(HOMO)和最低未占据分子轨道带(LUMO)是至关重要的。HOMO的结合能可以通过紫外光发射光谱(UPS)测量，LUMO的结合能一般是通过从HOMO中减去带隙E来推导的。Chen等人1工作的目的是探索电子能谱在测量能隙、HOMO、LUMO、功函数和电离能来自同一样品。椭偏法是测定薄膜带隙的一种传统方法。作为参考，使用椭偏法获得了各种材料的光学带隙。

 

共轭有机半导体分子的带隙由其占据π和未占据π*电子态之间的能量差来定义。当高能电子(如x射线光电子能谱(XPS)中样品内部产生的光电子和反射电子能量损失能谱(REELS)中轰击样品的电子，如图1所示)与分子发生非弹性碰撞，产生特征π-π*跃迁峰时，可能发生π-π*跃迁。这个峰值可以用来推断带隙。在本文中，有使用两种类型高能电子:1)样品中x射线产生的核心能级光电子和2)电子枪产生的电子。REELS和XPS实验示意图如图1所示。在前人的研究中可以找到更详细的讨论, REELS和XPS光谱记录了散射电子的能量分布。散射过程包括由电子跃迁(π-π*跃迁)和其他准粒子(如等离子激元)激发引起的弹性散射和非弹性散射。因此，利用REELS和XPS分析非弹性能量损失的带边来测量带隙。

 

图1 π-π*跃迁导致REELS和XPS电子能量损失的示意图。

 

图2 NPB（a）和ALq3（b）的REELS光谱。1.43eV时的峰值为氢的弹性散射。

 

到目前为止，带隙是由线性外推的特征π-π*跃迁峰的起始决定的。然而，在某些情况下，这种方法不起作用。为了说明这一点，REELS光谱中的N,N'-二(萘1-基)-N,N'二苯基-[1,1'-联苯]-4,4'-二胺(NPB)层和Alq3层如图2所示。对于NPB,由于非弹性峰和弹性峰之间没有重叠，可以很容易地获得带隙。然而，对于Alq3，发现非弹性损失的开始并不清楚，因为峰相互重叠。因此，简单的线性外推法是有问题的。为了方便准确地获得带隙值，提出了种数据分析方法来确定峰值的边缘位置。此外，还证明了有机半导体的完整电子结构可以通过XPS，REELS和UPS同时测量。

 

综上所述，该工作中提出了一种数据分析方法来确定π- -π*跃迁光谱的光谱峰起始位置。通过对11种有机半导体的测试发现用REELS测量的带隙与光学带隙非常吻合。这些差距也与文献报道的值一致。然而，XPS光谱中的π- -π*跃迁被发现是不可靠的，无法测量带隙。通过结合REELS和UPS，发现可以同时测量带隙Eg、电离能IE、费米能级Er、功函数中、电子亲和EA、HOMO和LUMO等关键能量结构。

 

1.Chen, N.; Wang, D.;  Hu, J.;  Guan, L.; Lu, Z.-H., Measuring Energy Gaps of Organic Semiconductors by Electron Energy Loss Spectroscopies. physica status solidi (b) 2022, 259 (1), 2100459.

 

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