分子尺度实现二维有机材料电子学性质精确调控

资料来源:美联社/艾伦·斯通布拉克

最近，南京大学电子科学与工程学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术合作创新中心的研究团队，如中国人民大学的王欣然教授、施毅教授、中国人民大学的维基教授、中国香港大学的许健彬教授等，在二维有机半导体的精确可控外延生长、输运性质调控和器件研究等方面进行了深入合作，取得了突破性进展。相关研究结果于2016年1月4日在《物理评论快报》在线发表，并被选为“编辑推荐论文”。美国物理学会的“物理学”杂志报道了“有机半导体的精密分层”的主题。

微电子器件是现代信息社会的基础。在过去的50年里，根据摩尔定律，晶体管的尺寸一直在减小，并且接近其物理极限，这带来了许多挑战。二维层状材料在电子器件的构建中具有超薄沟道和高迁移率的特点，是最有希望给微纳电子学和光电子领域带来新变化的材料之一。目前，二维层状材料的研究主要集中在石墨烯、过渡金属硫属化物和类石墨烯等无机原子晶体上。另一方面，由于有机材料的多样性和高柔性，有机二维半导体正受到越来越多的关注。有机晶体管的电荷转移过程通常发生在界面附近的几个分子层中。因此，准确制备低层有机晶体材料是在分子尺度上理解和控制电荷输运性质的基础，对有机电子学具有重要意义。

合作团队深入研究了六方氮化硼衬底上并五苯分子的范德华外延生长机理，实现了3层高质量可控层的并五苯外延薄膜。当其厚度接近二维极限时，薄膜仍表现出各向异性、高迁移率、能带型输运等仅在有机单晶材料中发现的固有特性。研究小组还发现，层内和层间分子相互作用之间存在竞争关系，导致不同层的分子排列结构不同。这些结构上的差异导致了3层并五苯外延膜中一系列的绝缘-跃迁-输运带输运的相变过程。这是首次直接观察到电荷传输层的分子堆积结构和电子传输性质之间的内在关联。此外，由并五苯外延膜制备的场效应晶体管的性能与有机单晶场效应晶体管相当。合作团队开发的范德华外延技术有望应用于更复杂的有机半导体结构和器件，如异质结和超晶格，这将进一步推动有机电子学的发展。尽管这些结构已经广泛用于无机半导体器件，但是它们还没有在有机半导体中实现。(资料来源:南京大学)