Cu-THQ薄膜的可控制备及其载流子迁移率调控

doi:10.7503/cjcu20240470

摘要/Abstract

摘要：

利用化学气相沉积（CVD）方法制备了具有不同表面粗糙度的Cu-THQ（THQ=四羟基-1，4-苯醌-水合物）薄膜，并研究了Cu-THQ薄膜的表面粗糙度、分子π-π堆积程度与载流子迁移率之间的内在联系，探索了CVD生长过程中温度对Cu-THQ薄膜载流子迁移率的调控机理. 结果表明，热源附近的Cu-THQ-3薄膜中金属离子存在大量不饱和配位，导致层间电荷斥力减弱，形成更紧密的π-π堆积，薄膜表现出更高的表面粗糙度和载流子迁移率，此时，霍尔效应迁移率达到4.10 cm²∙V^-1∙s^-1.

关键词: 导电金属有机框架, 化学气相沉积, 配位方式, π-π堆积, 霍尔效应载流子迁移率

Abstract:

In this paper， Cu-THQ（THQ=tetrahydroxy-1，4-benzoquinone） films with different surface roughness were prepared by chemical vapour deposition（CVD）. The intrinsic relationship between the surface roughness， the degree of molecular π-π stacking and the carrier mobility for the Cu-THQ films was investigated. Meanwhile， the regulation mechanism of the temperature on the carrier mobility of Cu-THQ films was explored in the CVD growth process. The results show that a large number of unsaturated coordination sites exist in the metal ions of the Cu-THQ-3 film near the heat source， which leads to the weakening of the interlayer charge repulsion and the formation of tighter π-π stacking. As a result， the Cu-THQ-3 film exhibits higher surface roughness and carrier mobility， with the Hall effect mobility reaching 4.10 cm²∙V^-1∙s^-1. The temperature regulation of carrier mobility for the film is achieved by controlling the distance between the substrate and the heat source， providing a new opportunity for its implementation in practical devices.

Key words: Conductive metal-organic framework, Chemical vapour deposition, Coordination mode, π-π Stacking, Hall effect carrier mobility

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 Raman spectra of THQ and Cu⁃THQ⁃X thin films(A), FTIR spectra of THQ, Cu(acac)2 and Cu⁃THQ⁃3 film(B) and UV⁃Vis absorption spectra of Cu⁃THQ⁃X thin films(C)

Fig.2 SEM image(A), corresponding elemental distribution of C(B), O(C) and Cu(D) of Cu⁃THQ⁃3 film

Fig.3 TEM(A), SAED(B) images and high resolution TEM images of different regions(C—H) of Cu⁃THQ⁃3 film

Fig.4 AFM images of samples at different growth positions(A1—F1) and their height profiles(A2—F2) on the dotted yellow line（A）Cu-THQ-1；（B）Cu-THQ-2；（C）Cu-THQ-3；（D）Cu-THQ-4；（E）Cu-THQ-5；（F）Cu-THQ-6.

Table 1 Carrier mobility of three samples tested by the Hall effect method

Sample

Temperature/K

Electrical resistivity/（Ω·cm）

Mobility/

（cm²·V^-1·s^-1）

Carrier concentration/cm^-3

Hall coefficient/

（cm³·C^-1）

6.53×10¹⁵

2.66×10¹⁵

2.92×10¹⁵

Fig.5 AFM(A—C) and SEM(D—F) images of Cu⁃THQ⁃6(A, D), Cu⁃THQ⁃5(B, E) and Cu⁃THQ⁃3(C, F)

Fig.6 High⁃resolution XPS spectra of Cu2p (A—C), C1s (D—F) and O1s (G—I) of Cu⁃THQ⁃6(A, D, G), Cu⁃THQ⁃5(B, E, H) and Cu⁃THQ⁃3(C, F, I)

Fig.7 Schematic diagrams of Cu⁃THQ film formation away from heat source(A) and in areas near the heat source(B)The yellow dashed box in the figure indicates the position and amount of unsaturated coordination of copper ions.

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