自组装单分子层调控有机半导体和金属电极界面热输运性能的机理研究

Accompanying with the development of the organic semiconductor device industry, the thermal transport properties in the device play the more significant role in the device performance. Owing to the weak van der Waals interaction between organic semiconductor and metal electrode, the thermal boundary resistance is very large, so it is necessary to enhance the interfacial thermal transport in order to improve heat management of the device. In this study, we will focus on using the self-assembled monolayer (SAM) to engineer the organic semiconductor molecule growth on metal surface and improve the interfacial thermal transport between organic semiconductor and metal. First, we will study the organic semiconductor molecule growth mechanism under the SAM-modified metal surfaces with different SAM functional groups, SAM carbon chains, SAM mixing ratios, and SAM defect concentrations. Second, both 3-ω method and molecular dynamics simulation are utilized to investigate the SAM effects on the thermal boundary resistance and find out the "phonon bridge" role which SAMs play in the interfacial thermal transport. After combining the experimental and simulation results, we can uncover the intrinsic relationship between organic semiconductor growth and interfacial thermal transport. We further apply spectral energy density calculation and phonon wave packet simulation to analyze the SAM engineering mechanism of interfacial thermal transport and phonon scattering regime at the interface. Hopefully this study will provide the fundamental knowledge in organic semiconductor fabrication and heat management of organic semiconductor devices.

随着有机半导体器件产业的不断发展，器件内部热输运性能对其运行和使用的影响愈益重要。有机半导体和金属电极因微弱的范德华力连接导致界面传热较差，故有必要改善两者界面热输运性能以增强器件散热能力。本项目将以有机半导体与金属电极界面为研究对象，利用自组装单分子层（SAM）来调控有机半导体在金属界面上的生长、增强有机半导体和金属界面热输运性能。明确不同SAM修饰的金属界面（不同SAM官能团、SAM碳链长度、SAM混合比例和SAM缺陷浓度）下有机半导体的生长机理；利用3-ω法和分子动力学模拟研究不同SAM界面条件下有机半导体和金属电极之间的界面热阻。通过总结实验和模拟两方面规律，并结合光谱能量密度计算和声子波包模拟，探明有机半导体生长机理和界面热输运的关系，揭示SAM对于有机半导体和金属界面热输运性能的调控机理以及界面处的声子散射机制。以期对有机半导体薄膜制备以及改善器件散热提供理论指导和实验依据。

随着有机半导体器件产业的蓬勃发展，器件内部热输运性能成为限制其运行性能和使用寿命的关键因素。有机半导体和金属之间较弱的范德华力连接导致较差的界面传热特性，进而影响器件整体散热能力。为解决上述问题，本项目聚焦有机半导体与金属电极的界面，提出利用自组装单分子层（SAM）来调控有机半导体在金属界面上的生长特性以及改善有机半导体-金属界面热输运性能。根据项目研究计划，项目首先通过理论模拟和实验揭示了SAM对有机半导体在金属界面生长行为的改善机制，研究发现在经过不同SAM修饰的粗糙金属表面上有机半导体分子能够以直立形态形成有序的晶体薄膜，有机半导体分子晶体岛的形成是受到基底表面自由能的控制，证明了较高的基底温度能够加快晶核转向过程，揭示了薄膜边缘的Ehrlich-Schwöbel势垒是薄膜台阶形貌产生的重要原因。另一方面，利用3-w法测量了有机半导体和不同SAM修饰的金属界面之间的界面热导，发现了SAM的引入能够有效强化有机半导体和金属的界面传热。为理解SAM对界面热输运的强化机理，通过分子动力学模拟阐明了不同SAM官能团、碳链长度、二元混合对有机半导体与金属之间界面热输运的影响机制。结果表明有机半导体和金属之间较大的振动失配导致了界面间存在较强的声子散射，SAM能够起到“声子桥”的作用，加强界面处声子的耦合进而强化了界面热输运。进一步的研究探明了强极性SAM具有更强的界面热输运强化能力，SAM碳链增长会提高界面传热性能，而二元SAM混合比例对界面热导的抑制存在临界值。此外，项目开展了带有不同侧链的有机半导体热输运性能研究，阐明了侧链在有机半导体声子热输运中的作用机制，首次全方面地综述了有机半导体热输运研究的最新进展和研究不足，理论计算了新型二维材料如过渡金属硫化物、石墨醚等的热输运性能，建立了二维材料和有机半导体界面热输运性能机器学习预测模型。本项目为有机半导体器件制备和热管理奠定了坚实的理论基础并提供了重要的指导意见。项目达到了预期目标，目前以第一作者/通讯作者在国内外高水平期刊发表SCI/EI论文16篇（SCI论文15篇、EI论文1篇），其中，发表在中科院一区Top期刊论文1篇，发表在中科院二区Top期刊论文6篇，入选“封面论文”5篇；申请发明专利3项，授权2项；培养博士研究生1名、硕士研究生6名。