分子尺度實現二維有機材料電子學性質精確調控

　　 近日，南京大學電子科學與工程學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心的王欣然、施毅教授，中國人民大學季威教授，香港中文大學許建斌教授等課題組深入合作，在二維有機半導體的精確可控外延生長、輸運性質調控和器件研究中取得突破性進展，相關研究成果于2016年1月4日在線發表在《物理評論快報》上，被選為“編輯推薦論文”，美國物理學會《物理》雜志以“Precise Layering of Organic Semiconductors”為題進行了報道。

　　微電子器件是當代信息社會的基礎。在過去50多年中，晶體管尺寸根據摩爾定律的預測不斷減小，正逐漸逼近其物理極限，并由此產生諸多挑戰。二維層狀材料在構筑電子器件時具有超薄溝道、高遷移率等特點，是最有希望在微納電子和光電子領域帶來新變革的材料之一。目前，二維層狀材料的研究主要集中在石墨烯、過渡金屬硫族化合物、類石墨烯等無機原子晶體。另一方面，有機二維半導體兼顧了有機材料多樣化、高柔性等特點，正得到人們越來越多的關注。有機晶體管的電荷傳輸過程通常發生在界面附近的幾個分子層內。因此，精確制備少層有機晶體材料是在分子尺度上理解和調控電荷輸運性質的基礎，對于有機電子學具有重要的意義。

　　合作團隊深入地研究了并五苯分子在六方氮化硼襯底上的范德華外延生長機理，實現了高質量、層數可控的1-3層并五苯外延薄膜。在其厚度接近二維極限時，薄膜仍展現出在有機單晶材料中才具有的各向異性、高遷移率、能帶型輸運等本征特性。研究團隊還發現，層內和層間分子間相互作用存在競爭關系，導致不同層的分子排列結構存在差別。這些結構差異使得并五苯外延薄膜在1至3層中發生了絕緣－躍遷輸運－能帶輸運的一系列相變過程，這是首次直接觀測到電荷傳輸層分子堆積結構與電子輸運性質之間的內稟關聯。此外，利用并五苯外延薄膜制備的場效應晶體管，其性能與有機單晶場效應晶體管媲美。合作團隊開發的范德華外延技術還有望應用于異質結和超晶格等更為復雜的有機半導體結構和器件，將進一步推動有機電子學的發展。盡管這些結構已經在無機半導體器件中已有著廣泛的應用，但其在有機半導體中還尚未實現。