物理学系在二维有机半导体研究领域获得突破性进展

季威 研究组 供稿 2016-01-07

近日，www.365828.com季威教授，与南京大学王欣然教授、施毅教授，香港中文大学许建斌教授等课题组通力合作，在二维有机半导体的精确可控外延生长、输运性质调控和电子器件研究中取得突破性进展，实现了分子尺度二维有机材料电子学性质精确调控。相关研究成果于2016年1月5日在线发表在《物理评论快报》上，并被选为“编辑推荐论文”。同时，美国物理学会还特别邀请Rice大学的Natelson教授，根据该文研究内容，在学会在线杂志《物理》上以“Precise Layering of Organic Semiconductors”为题为该文撰写了“观点”文章。

以晶体管为主的电子器件是当代信息社会的基础。目前，晶体管尺寸正根据摩尔定律的预测逐渐逼近其物理极限，由此产生了诸多问题和困难。二维层状材料在构筑电子器件时具有超薄沟道、高迁移率等特点，是最有希望给电子学带来新变革的材料之一。目前，二维层状材料的研究主要集中在石墨烯等无机原子晶体，而二维有机半导体兼顾了有机材料低成本、多选择、高柔性等特点，正得到人们越来越多的关注。有机晶体管的电荷传输过程发生在界面附近的几个分子层内。因此，精确制备少层有机晶体是在分子尺度上理解和调控电荷输运性质的基础，对于有机电子学具有重要的意义。

上述合作研究团队深入地研究了一种典型有机半导体——并五苯分子在六方氮化硼衬底上的范德华外延生长，实现了高质量、层数可控的1-3层并五苯外延薄膜。虽然薄膜的厚度接近二维极限，但其仍展现出在有机单晶材料中才具有的各向异性、高迁移率、能带型输运等本征特性。

图a：并五苯结构侧视图；图b：第2层分子间成键态波函数实空间分布；图c：第3层分子间成键态波函数实空间分布。

合作团队发现了分子薄膜从1层(图a中WL)到3层(图a中2L)的结构相变，即每一层的结构都不尽相同。“这主要是因为在并五苯分子的层内和层间分子间相互作用存在竞争关系，从而产生了不同分子层的晶体结构之间的差异，而这些结构差异又进一步导致了截然不同的电子学性质。”论文的共同通讯作者物理系季威教授介绍到：“这就好比人们面临选择的时候总是希望兼顾各个方面，最终的决定体现了各方面的因素。对于超薄二维材料而言，这两种相互作用竞争的影响尤为显著，其结果就是每层材料的结构各有所不同，从而达到了‘集体利益最大化’” 。

此外，合作团队还观察到，在这结构不同的三层薄膜中还发生了一系列绝缘——跃迁输运——能带输运的相变过程，这是首次直接观测到电荷传输层分子堆积结构与电子输运性质之间的内在关联。季威教授介绍到：“南京大学和香港中文大学的实验合作者们构筑了几乎完美的样品，这使得我们可以把理论计算结果与实验结果直接比较并确定材料结构和物性之间的内在关联”。物理系博士生乔婧思的计算结果发现：在两层薄膜中，由于1层与2层分子薄膜之间的相互作用减弱且分子间相互作用的加强，2层薄膜中的分子与基底有61度的夹角，使得分子间有了波函数交叠。“但这个交叠并不充分；载流子走过几个分子后还是需要跳跃到下个分子上去，这个距离大约是1纳米，也就是十亿分之一米。” 季威教授继续介绍到：“这就好比在人大一勺池中的几块石头上跑步，既要让自己保持平衡不掉进水里，又要根据脚下石头和具体落脚点的位置调整步幅，所以速度很难快起来。”这种情况在第3层薄膜中则有了明显改善。乔婧思的计算结果显示，在第3层薄膜中，分子间相互作用进一步加强，最上层分子的晶体结构已经与大块分子晶体十分接近了，分子间存在连贯的波函数交叠。季威教授开玩笑说到：“这就好比在操场的跑道上跑步，场地不是问题，速度没有限制，唯一需要担心的可能只是天气怎么样”。基于上述发现，合作团队还利用并五苯外延薄膜制备了高性能的场效应晶体管，其性能可以与有机单晶场效应晶体管媲美。

“这是一个非常好的开端，他预示着所有此前在有机晶体材料或者二维无机材料中尝试过的事情都有可能在二维有机晶体中实现”，季威教授展望这一工作前景时说。据悉，合作团队开发的范德华外延技术还有望应用于异质结和超晶格等更为复杂的有机半导体结构和器件，从而进一步推动有机电子学的发展。尽管这些结构已经在无机半导体器件中有着广泛的应用，但其在有机半导体中还尚未实现。

该研究工作得到了教育部、科技部、国家自然科学基金委员会和中国人民大学等的支持。中国人民大学高性能计算实验室和上海超算中心为该研究提供了计算机时。

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延伸阅读：
论文信息：Yuhan Zhang, Jingsi Qiao, Si Gao, Fengrui Hu, Daowei He, Bing Wu, Ziyi Yang, Bingchen Xu, Yun Li, Yi Shi, Wei Ji, Peng Wang, Xiaoyong Wang, Min Xiao, Hangxun Xu, Jian-Bin Xu, and Xinran Wang,
Probing carrier transport and structure-property relationship of highly ordered organic semiconductors at the two-dimensional limit, Phys. Rev. Lett. 116, 016602 (2016).

《物理》杂志观点评论：Douglas Natelson, Precise Layering of Organic Semiconductors, Physics 9, 1 (2016)