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超越钻石,史上最高折射率聚合物!固有折射率达2.43
军工资源网    2020-02-11 12:36:37    文字:【】【】【
近几十年来,半导体材料一直是研究和工业应用中最重要一类材料,广泛应用于光电、光子器件等领域。然而,由于有毒且价格昂贵、机械柔性差,严重限制了其在可穿戴设备或生物系统中的应用。其中,聚合物半导体可以克服这些问题,有助于开发出更高效且灵活、高成本效益和可持续的新一代器件。但是当前的聚合物半导体大多是无序的一维(1D)聚合物,需要同时优化分子内和分子间电子传输,还必须考虑分子效应以及堆积作用。


然而,在二维(2D)聚合物结构中,聚合氮化碳(pCN)由于其高的热稳定性和独特的电子性能而被广泛的关注。但是基于pCN的产品既不可溶又无延展性,因而限制了其作为电子半导体的应用。此外,目前的薄膜大多不透明、粗糙且具有缺陷的微粒。虽然近年来通过不同的气相沉积(CVD)技术解决了用于pCN的薄膜沉积的问题,但是制备的pCN薄膜仍然存在均质性低、粗超度高的等沉积质量问题。



基于此,德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所的Markus Antonietti和Paolo Giusto(共同通讯作者)报道了一种热化学气相沉积(CVD)方法,并利用该方法以三聚氰胺为原料,制备了透明的、高度均匀的pCN薄膜。这些由CVD制备的pCN薄膜具有高度取向的共轭层状结构、强烈的蓝色荧光,并且在可见光范围内具有很高的固有折射率(nD=2.43)。对于聚合材料,在可见光范围内具有很高的光学透明度,其值甚至在金刚石(nD=2.42)范围内,是目前报道的最高值。其中,金刚石对于碳基材料具有最高的折射率,并且通常被认为是所有材料中最灿烂的材料。此外,具有很高n的薄膜不仅对光收集纳米结构系统和光学-光阱至关重要,而且对于开发高效的光学纳米器件(Mie谐振器、光学传感器等)也异常重要。


【图文解读】


解析:众所周知,三聚氰胺是一种用于合成pCN的固体前体,具有毒性低、价格便宜、可大量获得等优点。作者利用了双区热的CVD装置制备了pCN薄膜,其中三聚氰胺前体在第一区域内升华,在第二区域的550℃下在基材表面上聚合(图1a-b)。如图1c-f所示,沉积在熔融石英晶片和花状石英基底上的pCN薄膜,pCN沉积均匀地沉积在直径达英寸的大表面积上,并且不受基底形状的限制。所制备的pCN薄膜通常无裂纹,在100 μm2的表面上显示出非常低的平均表面粗糙度(<2 nm Rq)。其中,低表面粗糙度是避免对光子应用不利的非理想散射效应的重要参数。



图1、利用CVD获得的高度均质的pCN薄膜。(a)由三聚氰胺合成pCN的反应示意图;(b)使用三聚氰胺前体和目标基材的CVD装置的照片;(c-d)在环境和紫外线(366 nm)照射下,沉积在直径为2英寸的熔融石英基底上的pCN薄膜;(e-f)在较低的石英基底上沉积的pCN薄膜。


解析:作者通过SEM研究了微米级沉积pCN薄膜的质量,薄膜高度均匀且无裂纹,甚至很难说出薄膜在平坦边缘和弯曲边缘上是否存在。然而,通过能量色散X射线(EDX)分析来确定样品切割边缘处碳、氮、硅和氧的元素分布图,其中切割会造成缺陷(图2a)。碳、氮和硅的EDX元素图谱显示,氮和碳元素均匀分布在pCN薄膜中(图2b-c)。硅和氧元素图描述了刮痕已被刮掉的区域(图2d)。此外,作者通过TEM研究了纳米级pCN薄膜。在较高的放大倍率下,垂直于面内方向,pCN显示出略微起伏的石墨状结构,其薄片平行于薄膜表面定向(图2e)。从TEM图像(图2e插图)获得的快速傅立叶变换(FFT)模式显示出0.32 nm的层间距离,也通过广角X射线衍射(WAXD)进行确认。


为了证明沉积的薄膜确实是由pCN的庚嗪重复单元构成的,作者通过X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外(FTIR)光谱、电子能量损失光谱(EELS)和燃烧元素分析(EA)研究了样品。XPS C1s信号的去卷积导致在288.3、286.4和284.6 eV处出现三个不同的峰(图2f)。N1s峰的解卷积显示了401.3 eV处庚烷的共轭氮基和末端氨基(图2g)。pCN薄膜的核能级EELS光谱表明,碳(288 eV)和氮(400 eV)K边缘具有非常突出的极其尖锐的1s π*峰,比σ*峰更强烈,证实了sp2杂化的碳原子和氮原子的共轭程度非常高(图2h)。此外,碳原子和氮原子几乎相同的K边缘结构表明pCN薄膜中两个构成元素的电子环境相似。值得注意的是,缺失的氧峰(约532 eV)证实了pCN中没有氧污染。



图2、(a)pCN薄膜的SEM图像;(b-d)在切割边缘的pCN薄膜上,氮、碳和硅元素的EDX映射;(e)垂直于面内方向的pCN薄膜的TEM图像;(f-g)C 1s和N 1s使pCN薄膜的XPS峰发生反容;(h)在C和N K边缘的pCN薄膜的EELS核心损耗谱。


解析:通过反射条纹和透射光谱中干涉条纹的高可见性表明,所制备的pCN薄膜具有很高的折射率。因此,pCN薄膜具有可变角度椭圆偏光法(VASE)的特征,该可变角光谱法可以在较宽的光谱范围内对复折射率的实部和虚部进行建模(图3a)。pCN在UV范围内吸收,实际上消光系数(k)在4.1 eV(λ=301 nm)时达到1.97的值。此外,遵循典型的Sellmeier色散趋势,折射率n的实际部分的nD=2.43,在1000 nm时仍为2.32,是目前已报道聚合材料的最高固有nD,其中金刚石的nD=2.42。在可见光谱中具有高透明度的光学聚合物的典型nD值在1.33-1.7的范围内,就算高折射率聚合物(HIRP)也很少超过1.8。


此外,pCN的最高占据分子轨道/最低未占据分子轨道(HOMO/LUMO)能带位于可见光谱的边缘。pCN薄膜的HOMO-LUMO能级也可以通过紫外光电子能谱(UPS)获得(图3b)。数据表明,pCN薄膜是n型半导体。为了更好地理解并利用光诱导的激子的产生和重组机制,作者在不同波长下记录了光致发光和长寿命发光光谱。当受到紫外线刺激时,pCN会显示出强烈的蓝色光致发光发射,在466 nm(λexc=375 nm)处有一个最大值(图3c),在370 nm激发下的内部和外部量子产率分别为0.8%和1.1%。此外,长寿命发射的出现再次揭示了pCN薄膜中电子工艺的复杂性(图3d)。记录了具有不同激发波长(350、370、390 nm)和10 ms的大脉冲检测延迟的长寿命发射光谱。



图3、(a)pCN薄膜的光学功能:消光系数k和折射率n随能量和波长的变化;(b)相对于真空水平(左轴)和SHE(右轴)的pCN薄膜的能带结构;(c)pCN薄膜的光激发与光致发光光谱的等高线图;(d)不同激发波长下的长寿命发射光谱:350 nm(蓝线)、370 nm(绿线)和390 nm(红线)。


【小结】


综上所述,作者以三聚氰胺为原料,利用热化学气相沉积法制备高质量的聚合物pCN薄膜。双区的CVD技术允许通过合成时间和原料数量来调整pCN薄膜的厚度,即使在曲面上生长的薄膜也是均匀的。作者不仅量化了这些材料的吸收系数(在4.2 eV时,α=8.27×105 cm-1),而且可以实现很高的固有折射率(nD=2.43)。沉积物的高质量和优异的折射率值对开发高效的光管理的高效器件异常重要。此外,作者还量化了能带结构和发射特性,为开发基于可见光收集的有机平面异质结和光电器件提供了参考。基于本文的发现,期待一种更通用的pCN材料用于基于薄膜的薄器件。

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