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             上海光源BL14B1衍射線站作為通用衍射研究平臺,可以為用戶提供高角衍射、掠入射衍射、反射率、漫散射、倒易空間強度繪制(Reciprocal Space Mapping)、極圖等實驗方法;研究對象涵蓋多晶粉末、單晶及多晶薄膜和塊體樣品,無機和有機樣品,固態和液態樣品;為凝聚態物理、材料科學、化學、高分子、地質等領域的用戶提供了優質高效的結構研究平臺。在衍射線站工作人員的積極配合和努力下,用戶在聚合物場效應晶體管、有機半導體分子薄膜和鐵電薄膜等研究領域取得重要進展,成果分別于近期發表在美國化學學會頂尖期刊Journal of the American Chemical Society和Wiley公司出版的材料化學重要期刊Advanced Materials 和Advanced Functional Materials等雜志上。

          一、基于異靛青的高性能空氣穩定聚合物場效應晶體管的研究

             為了替代基于無定形的硅薄膜晶體管材料,有機場效應晶體管取得了很大的發展。比起小分子半導體材料,聚合物材料具有溶液可加工性,更好的機械性能和熱力學穩定性。小分子場效應晶體管的研究已經取得了很大的進展,然而聚合物場效應晶體管的研究則比較滯后。傳統的聚合物場效應晶體管的研究主要是基于聚噻吩類化合物,它們雖然表現出了比較高的遷移率,但是他們在空氣中的穩定性比較差,遷移率下降很快。

             北京大學裴堅教授課題組設計并合成了基于異靛青類分子的兩個聚合物IIDDT和IIDT,IIDDT分子表現出了很高的遷移率,達到0.79 cm2 V-1 s-1,同時也表現出了很好的空氣穩定性,可放在濕度達60%的空氣中穩定長達6個月之久。在上海光源衍射實驗站利用掠入射X射線衍射發現,之所以IIDDT表現出比IIDT高出一個數量級的遷移率,是由于該聚合物具有較高的對稱性,有利于面內π-π堆積和面外的層狀相得形成。如圖1所示,IIDDT薄膜有四個很強的衍射峰,表明薄膜具有側立薄層狀堆積結構。而IIDT薄膜只有很弱的彌散衍射環,表明其具有相對非晶的結構。該成果發表在國際化學頂尖雜志J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (16):6099–6101。(DOI:10.1021/ja111066r)

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          圖1.(a)IIDDT和(b)IIDT的掠入射衍射圖樣
          (c)IIDDT和(d)IIDT的AFM高度圖


          二、利用小分子固熔體薄膜實現場效應遷移率的調控

             分子尺度超薄膜恰是有機半導體材料科學目前研究的要點,在建立薄膜的結構與功能關系、軟物質結構的納米尺度熱力學穩定性、高品質有機半導體薄膜的分子設計和制備方法等方面將發揮重要作用。

             中國科學院長春應用化學物理研究所閻東航研究員課題組首先采用兩種晶胞參數存在明顯差異的棒狀小分子BPTT和BPPh進行共沉積。在上海光源衍射站利用X射線衍射研究不同比例共沉積薄膜的平面內結構,可以看到每個衍射峰為單峰,沒有發生峰形分裂,說明系列共沉積薄膜為均一結構的薄膜,并且隨著BPTT和BPPh比例變化,衍射峰位置發生漂移(圖2g),平面內晶面間距隨組分比例的變化線性變化(圖2h)。研究成果發表在Adv. Mater. 2011, 23, 3455–3459. (DOI:10.1002/adma.201101353 )

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          圖2. 共沉積薄膜(a) BPTT:BPPh(2:1) (b) BPTT:BPPh(1:1) (c) BPTT:BPPh(1:2)原子力形貌圖 (f) BPTT:BPPh(1:1)薄膜選區電子衍射圖譜 (g)不同組分比例的BPTT:BPPh共沉積薄膜(5 nm)平面內掠入射X射線衍射圖譜 (h)共沉積薄膜的晶胞參數隨組分比例的變化關系


          三、BiFeO3薄膜內外延應力誘導的低對稱單斜相和極化轉動路徑研究

            鐵酸鉍BiFeO3是一種新型鈣鈦礦結構的多鐵材料,其在室溫下同時具有電有序和磁有序,在高密度存儲、磁電讀寫的新型記憶元件等方面存在潛在的應用前景。制成薄膜后,BiFeO3 的結構受襯底引起的外延應力影響很大。新加坡光源楊平教授同南洋理工大學陳朗博士合作在上海光源測試了在不同襯底上生長的BiFeO3薄膜的倒易空間Mapping,仔細研究了多鐵性BiFeO3薄膜的外延應力引起的結構相變研究。通過分析同步輻射倒易空間圖,發現BiFeO3亞穩偽四方相(T-like)實際上是Mc型單斜相,低對稱性的單斜相有望進一步提高BiFeO3薄膜的壓電和磁電耦合性能。通過該研究還確定了外延應力引起BiFeO3薄膜極化轉動的路徑,如圖3(b)所示。研究成果發表在 Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 133-138. (DOI:10.1002/adfm.201101970)

           圖3.jpg 圖3(b).jpg
          圖3. (a)LaAlO3 襯底上生長的BiFeO3薄膜的(103)倒格點附近的倒空間mapping (b)外延應力引起的極化轉動路徑圖

          (材料與能源部、用戶辦供稿)

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