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物理學系在二維有機半導體研究領域獲得突破性進展

| 2016-01-07


季威 研究組 供稿 


近日,网赌平台季威教授,與南京大學王欣然教授、施毅教授,香港中文大學許建斌教授等課題組通力合作,在二維有機半導體的精確可控外延生長、輸運性質調控和電子器件研究中取得突破性進展,實現了分子尺度二維有機材料電子學性質精確調控。相關研究成果于2016年1月5日在線發表在《物理評論快報》上,并被選為“編輯推薦論文”。同時,美國物理學會還特別邀請Rice大學的Natelson教授,根據該文研究內容,在學會在線雜志《物理》上以“Precise Layering of Organic Semiconductors”為題為該文撰寫了“觀點”文章。

以晶體管為主的電子器件是當代信息社會的基礎。目前,晶體管尺寸正根據摩爾定律的預測逐漸逼近其物理極限,由此產生了諸多問題和困難。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,是最有希望給電子學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等無機原子晶體,而二維有機半導體兼顧了有機材料低成本、多選擇、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。

上述合作研究團隊深入地研究了一種典型有機半導體——并五苯分子在六方氮化硼襯底上的范德華外延生長,實現了高質量、層數可控的1-3層并五苯外延薄膜。雖然薄膜的厚度接近二維極限,但其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。

圖a:并五苯結構側視圖;圖b:第2層分子間成鍵態波函數實空間分布;圖c:第3層分子間成鍵態波函數實空間分布。

合作團隊發現了分子薄膜從1層(圖a中WL)到3層(圖a中2L)的結構相變,即每一層的結構都不盡相同。“這主要是因為在并五苯分子的層內和層間分子間相互作用存在競爭關系,從而產生了不同分子層的晶體結構之間的差異,而這些結構差異又進一步導致了截然不同的電子學性質。”論文的共同通訊作者物理系季威教授介紹到:“這就好比人們面臨選擇的時候總是希望兼顧各個方面,最終的決定體現了各方面的因素。對于超薄二維材料而言,這兩種相互作用競爭的影響尤為顯著,其結果就是每層材料的結構各有所不同,從而達到了‘集體利益最大化’” 。

此外,合作團隊還觀察到,在這結構不同的三層薄膜中還發生了一系列絕緣——躍遷輸運——能帶輸運的相變過程,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在關聯。季威教授介紹到:“南京大學和香港中文大學的實驗合作者們構筑了幾乎完美的樣品,這使得我們可以把理論計算結果與實驗結果直接比較并確定材料結構和物性之間的內在關聯”。物理系博士生喬婧思的計算結果發現:在兩層薄膜中,由于1層與2層分子薄膜之間的相互作用減弱且分子間相互作用的加強,2層薄膜中的分子與基底有61度的夾角,使得分子間有了波函數交疊。“但這個交疊并不充分;載流子走過幾個分子后還是需要跳躍到下個分子上去,這個距離大約是1納米,也就是十億分之一米。” 季威教授繼續介紹到:“這就好比在人大一勺池中的幾塊石頭上跑步,既要讓自己保持平衡不掉進水里,又要根據腳下石頭和具體落腳點的位置調整步幅,所以速度很難快起來。”這種情況在第3層薄膜中則有了明顯改善。喬婧思的計算結果顯示,在第3層薄膜中,分子間相互作用進一步加強,最上層分子的晶體結構已經與大塊分子晶體十分接近了,分子間存在連貫的波函數交疊。季威教授開玩笑說到:“這就好比在操場的跑道上跑步,場地不是問題,速度沒有限制,唯一需要擔心的可能只是天氣怎么樣”。基于上述發現,合作團隊還利用并五苯外延薄膜制備了高性能的場效應晶體管,其性能可以與有機單晶場效應晶體管媲美。

“這是一個非常好的開端,他預示著所有此前在有機晶體材料或者二維無機材料中嘗試過的事情都有可能在二維有機晶體中實現”,季威教授展望這一工作前景時說。據悉,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,從而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有著廣泛的應用,但其在有機半導體中還尚未實現。

該研究工作得到了教育部、科技部、國家自然科學基金委員會和中國人民大學等的支持。中國人民大學高性能計算實驗室和上海超算中心為該研究提供了計算機時。


背景介紹:《物理評論快報》是物理學領域的頂級期刊,也是美國物理學會的旗艦期刊,報道物理學各學科領域最突出的前沿研究成果。美國物理學會《物理》雜志是一份在線新聞和評論雜志,報道美國物理學會期刊上發表的部分最具亮點的前沿研究成果,每月約有20篇左右的新聞、聚焦及觀點文章發表。“觀點”文章一般由《物理》雜志邀請相關領域的資深專家為最突出的工作撰寫,是對發表在美國物理學會期刊上研究工作最高的認可。 


延伸閱讀:
論文信息: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,


《物理》雜志觀點評論:Douglas Natelson, , Physics 9, 1 (2016)


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