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氟化富勒烯在电子材料与器件的应用
来源:作者:李芸华 李建云 王建 单位:江西应用技术职业学院    发表时间:2021/1/7 15:22:00  浏览次数:
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【摘要】氟化富勒烯有着极为独特的结构与性能,得到了相关专家们的普遍重视,有必要对其展开深入分析。本文简略阐述了氟化富勒烯的特性,并从金刚石、硅以及石墨的表面掺杂剂、有机发光二极管中半导体的p型掺杂剂以及在活性金属表面的化学反应等几方面内容着手,详细分析了氟化富勒烯在电子材料与器件中的应用,旨在为相关研究人员提供相应的借鉴意义。

【关键词】氟化富勒烯;电子材料与器件;掺杂剂

1引言

近年来,针对氟化富勒烯诸多专家都有了相应的研究成果,但由于其本身的复杂性,所以在研究方面仍存在不足之处,基于此,相关专家务必要展开更为深层次的分析与研究,进而实现其在各个领域中更加高质量的应用。

2氟化富勒烯特性

富勒烯分子本身便有着较为独特的化学、物理性质以及三维拓扑结构,与此同时富勒烯分子材料在实际材料性能方面比较特殊,所以其在航空航天、环境治理、能源以及生命科学领域中都能够体现出较强的应用优势。国内外的相关科研人员也针对富勒烯及其衍生物的性质与结构开展了深层次的研究与探索,并仔细分析了其在抗氧化性、生物相容性、超导性能以及催化性能等方面的实际应用。除此以外,氟原子本身有着较强的弱极性以及电负性,当在有机分子中引入氟原子之后,会使得电子云在氟原子的一侧进行集中,进而导致分子云的分布产生偏移问题,还会使得相邻基团的性质出现一定程度的变化,进而使得含氟有机化合物产生具有独特性的化学以及物理性质。氟有着较高的电子亲和能,在富勒烯中引入F能够有效形成C—F,进而直接影响富勒烯类化合物本身所具有的电子性能。氟化富勒烯中主要包含着将F原子引入到C60与C70等富勒烯中后所形成的化合物,包括C74F38、C60F48、C60F36、C60F18、C60F2等。但是应当注意,从严格意义上来看,不能将含有氟烷基、氟化的芳香族基团等富勒烯类衍生物作为氟化富勒烯来看待[1]。氟化富勒烯本身有着较强的溶解性以及独特的电子特性,能够成为反应中间体,从目前看有着良好的研究价值,强化对于氟化富勒烯应用的研究,深入结构其性能与实际结构的关系有着重要作用。早在2005年,相关研究专家针对氟化富勒烯的合成、分离以及基础表征等多方面内容展开了深层次的探索,此后也有诸多科学家对其开展了更加深入的分析与研究,同时还使其在各种类型的电子材料以及设备中得到了广泛应用。

3电子材料与器件中氟化富勒烯的应用

为了充分发挥氟化富勒烯的作用,彰显其价值,实际应用过程中应不断探索与尝试,其在电子材料、器件中的应用如下。

3.1金刚石、硅以及石墨的表面掺杂剂

从目前来看,人造金刚石本身有着不同于硅和锗的表面特性,与此同时,该类材料在制备的过程中的方式方法较为便宜,所以在下一代电子产品中有着较为广阔的应用前景,然而,未掺杂的金刚石本身在导电性方面相对较欠缺,难以充分同电子产品的实际需求相适应。从氟化富勒烯本身的特性来看,其电子亲和能比较强,可以直接在金刚石的表面实现电子的接收,并形成空穴,能够有效实现p型导体材料导电率的增强。早在2006年,相关专家已经证实了存在比C60更强的电子受体,以其氟化物为例,能够直接将C60F36作为p型掺杂剂进行应用,该材料的使用能够使得电荷转移的激活能量得到有效降低,进而在一定程度上使基质的表面导电性得到提升。与此同时,在电子亲和能方面,C60F36要较优于C60,当将其作为p型掺杂剂进行应用时,尽管其掺杂量较低,也会具有良好的掺杂效果。当不同类型的氟化富勒烯作为金刚石的表面掺杂剂进行实际应用的时候,与富勒烯C60相比,其所对金刚石导电率产生的影响都要比较强。氟化表面掺杂剂C60F48能够在极大程度上实现金刚石导电性的提升。经过相关实验观察研究之后,科学家发现,在应用C60F18与C60F36作为金刚石表面掺杂剂的时候,其本身并不会对金刚石电导率产生较大影响,这种现象完全能够与其较弱的电子受体能力相符合。相关专家在实践过程中对比了空气诱导电导率和掺杂了氟化富勒烯的金刚石表面电导率,最终结果显示,与前者相比,氟化富勒烯掺杂后的金刚石表面电导率呈现出更加高的热稳定性,若是直接对C60F48掺杂的金刚石进行加热处理,其在温度上升至150℃之后,其表面电导率也只会下降1个数量级。如果采用SiO保护膜增加于氟化富勒烯掺杂后的金刚石表面,能够发现其本身所具有的电导率热稳定性会呈现出提升趋势。当将其加热至250℃3d之后,其所具有的电导率只会下降一个数量级。在2007年,相关研究人员针对半导体材料氧化硅,使用氟化富勒烯对其展开了电荷转移掺杂实验,旨在探索其是否能够在小型金属氧化物半导体上实现应用,并起到相应的导电作用。最终发现确实可以应用C60F36或者是C60F48沉积于硅表面,并引发电荷转移掺杂。

3.2有机发光二极管中半导体的p型掺杂剂

部分空穴传输的半导体在应用的过程中有着低导电性的特点,相关研究发现,灵活应用电子亲和性较强的材料能够提升p型掺杂的有效性,尽可能降低接触物之间的电荷注入势垒。若是在半导体中存在较多的正电荷累积在p型掺杂的截面,那么便会使得p型掺杂材料中的负电荷直接与半导体产生接触,在这过程中便会提升半导体的性能,使其成为更加理想的电子导体,并呈现出较低工作电压、高导电率以及电荷增加的特点[2]。早在2009年,相关专家针对C60F36对P3HT性能展开了深入研究与分析,其具体主要是对将掺杂了10%的C60F36的P3HT进行制备,使其成为薄膜三极管,然后再将其同C60掺杂的P3HT材料以及未掺杂的P3HT进行对比,这样便能够充分明确,不同类型掺杂剂使用对于电子导电率所产生影响之间的差异性。最终结果显示,在掺杂了10%C60F36之后,相比较没有掺杂的P3HT来说,TFT增加了两个数量级的电导率。与此同时,还有专家在经过深入研究之后发现,将C60F36作为空穴传输层的p型掺杂剂能够使得有机太阳能电池以及发光二极管的综合性能得到一定程度的优化改善。除此以外,p型掺杂剂C60F36作为薄注入层,其能够在原有的基础上对垂直有机场效应晶体管的性能起到一定的盖上作用,增加了开路状态电流和开/关比。相关调查研究,C60F36是一种有着较强应用价值的p型掺杂剂,这主要是因为亲电的氟原子能够导致能级产生偏移,进而呈现出较好的电子亲和性。氟化富勒烯本身的优势便在于其高热稳定性以及低挥发性,能够高质量地在高温条件下完成相应的操作。上述特性使得C60F36能够在晶体管、太阳能电池以及有机发光二极管等领域呈现出较强的应用价值。3.3在活性金属表面的化学反应除了能够作为有机发光二极管中半导体和金刚石、硅以及石墨的p型掺杂剂以外,其同样能够在其他领域中得到有效应用。早在2013年,相关研究人员将氟化富勒烯C60F36在120℃于氧化铟锡表面热分解,进而产生高功能化阳极界面层。从实际的原位紫光线光电子能谱的测试结果基础上可以发现,当完成相应的界面修饰工作之后,氧化铟锡的电极逸出功能够达到5.62eV。就算是将其在空气中暴露一天以上的时间,也能够保持住良好的稳定性,这能够有效改善铟锡氧化物半导体的实际性能。相关专家于2017年先后提出了包括C60F18、C60F36以及C60F48三种氟化富勒烯所在不同类型活性金属表面产生的各种化学反应,这便为产生高强度金属氟化物阴离子提供了重要基础和依据。最终调查结果表明,金属活性在一定程度上直接影响着氟化富勒烯在金属表面的反应性,与此同时,金属氟化物阴离子的实际产率受到氟化富勒烯中氟含量的制约,由此可见该研究工作的重要性。一方面应利用氟化富勒烯在金属表面产生的反应形成高强度金属氟化物阴离子[3]。相比当下普遍采用的XeF2和F2等具有强腐蚀性气体的方法来说,该方法的应用具有更强的应用价值,与此同时其在包括基础气相离子化学、离子植入、气相沉积以及氟原子光刻技术等领域中也有着较为广阔的应用前景。另一方面,当前在各种尖端电子产品中,氟化富勒烯有着较为广泛的应用,所以需要强化对于其本身反应活性的重视,由于氟化富勒烯在同带有化学活性组分的金属界面产生相互作用的情况下会导致其设备的寿命以及性能受到严重降低。由此可见,氟化富勒烯正在逐渐应用于更为广阔的领域,并呈现出较强的应用优势。

4结语

综上所述,氟化富勒烯同富勒烯相比,其具有更加良好的电子亲和性,其能够应用在各种有机半导体等电子器件以及石墨烯、硅和金刚石等电子传输设备中。与此同时,其还能够在氧化铟锡以及活性金属表面得到高效应用,对于电子设备的电子性能来说有着良好的改善作用。

【参考文献】

[1]王宇飞,郑丽萍,李靖靖,等.氟化富勒烯的结构、性质及其应用研究进展[J].有机化学,2018,38(12):3143-3154.

[2]王宇飞,郑丽萍,姚建华,等.氟化富勒烯在电子材料与器件中的应用研究进展[J].化工新型材料,2018,46(7):5-8,13.

[3]边江鱼,张洋,常鹰飞.双笼氟化富勒烯分子C_(20)F_(18)(CO)_2C_(20)F_(18)电子输运性能的第一性原理研究[J].分子科学学报,2017,33(6):466-470.

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