基于电化学重氮还原的碳膜电极表面修饰及功函调控

doi:10.7503/cjcu20200795

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (6): 1908.doi: 10.7503/cjcu20200795

基于电化学重氮还原的碳膜电极表面修饰及功函调控

许晓娜¹^,³, 史成乾², 丁小海¹, 薛俊红¹, 王冬¹, 田丽贤¹, 李柏力¹, 朱艳英¹^,²^,³, 于曦¹()

^1.天津大学理学院, 天津市分子光电科学重点实验室, 2. 天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心, 天津 300072
^3.南开大学现代光学研究所, 天津市微尺度光信息科学与技术重点实验室，天津 300350
^4.燕山大学理学院, 秦皇岛 066004

收稿日期:2020-11-06 出版日期:2021-06-10 发布日期:2021-06-08
通讯作者: 于曦 E-mail:xi.yu@tju.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11774255);天津市自然科学基金(18JCQNJC02600)

Surface Modification and Work Function Control of Carbon Film Electrode Based on Electrochemical Diazonium Reduction

XU Xiaona¹^,³, SHI Chengqian², DING Xiaohai¹, XUE Junhong¹, WANG Dong¹, TIAN Lixian¹, LI Baili¹, ZHU Yanying¹^,²^,³, YU Xi¹()

^1.Tianjin Key Laboratory of Molecular Optoelectronic Sciences，School of Science
^2.Tianjin International Center for Nano Particles and Nano System，Tianjin University，Tianjin 300072，China
^3.Tianjin Key Laboratory of Micro?scale Optical Information Science and Technology，Institute of Modern Optics，Nankai University，Tianjin 300350，China

Received:2020-11-06 Online:2021-06-10 Published:2021-06-08
Contact: YU Xi E-mail:xi.yu@tju.edu.cn
About author:The authors contributed to this work equally.|The authors contributed to this work equally.
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(11774255);the Natural Science Foundation of Tianjin, China(18JCQNJC02600)

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摘要/Abstract

摘要：

基于高温裂解光刻胶制备的碳薄膜(PPF)是一种新型的性能优异的碳基电极. 为了拓展其在功能器件中的应用, 利用电化学重氮还原法在PPF电极表面生长了三氟甲基苯胺重氮盐(CF₃-PD)和对氨基苯甲醚重氮盐(OCH₃-PD)两种组分的混合膜. 通过调节两组分溶液在混合膜中的摩尔浓度比例, 实现了对PPF电极功函的可控调节. 紫外光电子能谱(UPS)和开尔文探针显微镜(KPFM)对修饰前后PPF电极功函(?)的表征表明, 随着混合溶液中CF₃-PD组分的摩尔分数从0增至100%, PPF电极的?(4.75 eV)从4.5 eV梯度增至5.14 eV. 研究结果实现了可在一定范围内“定制”PPF电极功函, 为碳膜电极在分子光电器件中的应用奠定了基础.

关键词: 碳膜电极, 重氮还原反应, 混合分子层, 功函数

Abstract:

Pyrolyzed photoresist films（PPF） is a new type of carbon-based electrode material of excellent and modulable performance. To facilitate its applications in organic electronic devices， we modulated the work function（?） of the PPF via the electrochemical diazonium reduction method to grow mixed layer containing two components， trifluoromethyl（CF₃-PD） and p-anisidine（OCH₃-PD） on the surface of the PPF electrode. By adjusting the relative concentration of the two-components in the solution， gradient work functions of the PPF electrode were obtained. Work functions of the modified PPF electrodes were characterized by means of UV photoelectron spectroscopy（UPS） and Kelvin probe microscope（KPFM）. The results show that as the concentration of the CF₃-PD component in the mixed solution increases from 0 to 100%， the work function of the PPF electrode（?=4.75 eV） increases gradually from 4.5 eV to 5.14 eV. Our work has realized the tunable work functions of PPF electrodes and provided possibility for the further applications of PPF electrodes for molecular optoelectronic devices.

Key words: Carbon film electrode, Diazo reduction, Mixed molecular layer, Work function

中图分类号:

O647

TrendMD:

许晓娜, 史成乾, 丁小海, 薛俊红, 王冬, 田丽贤, 李柏力, 朱艳英, 于曦. 基于电化学重氮还原的碳膜电极表面修饰及功函调控. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1908.

XU Xiaona, SHI Chengqian, DING Xiaohai, XUE Junhong, WANG Dong, TIAN Lixian, LI Baili, ZHU Yanying, YU Xi. Surface Modification and Work Function Control of Carbon Film Electrode Based on Electrochemical Diazonium Reduction. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1908.

图/表 7

Fig.1 Chemical structures of molecules with an electron donating group(blue) and an electron?withdrawing group(red) modified on the surface of the pyrolyzed photoresist film(PPF)As the surface dipole moment with different directions is induced, the work function increases or decreases.

Scheme 1 Modification of the PPF electrode surface using diazonium electrochemical reduction

Fig.2 Cyclic voltammograms of OCH3?PD and CF3?PD diazonium solution with different ratio occurring at 0—-1.2 V(vs. Ag/Ag+)(A), the electrochemical reduction process of 40% in mole of CF3?PD diazonium solution at a scan rate of 0.2 V/s for 8 cycles(B)Molar fraction of CF3-PD: a. 100%; b. 80%; c. 60%; d. 40%； e. 20%; f. 0.

Fig.3 40% mixed film solution of CF3?PD bonded to PPF electrode(A) Localized surface morphology(500 nm×500 nm) obtained by KPFM; (B) PPF local surface potential of CPD.

Fig.4 Results of KPFM measurement, change of CPD on the surface of PPF after the surface modification with mixed films(black curve), and corresponding work function value(red curve)

Fig.5 UPS measurements showing a change in PPF work function with different percentages of mixed filmThe two lines of the same color represents the two measured results for the same ratio of mixed films.

Fig.6 UPS and KPFM results of work function for pure PPF and the different ratios of mixed films modified on the surface of PPF

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