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《科學》子刊發表物理學系季威研究組重要合作研究成果

| 2017-09-08


季威 教授 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,日本沖繩科學技術大學院大學戚亞冰教授等組成研究團隊,深入探討了二維C8-BTBT有機薄膜晶體管(OTFT)的本征載流子傳輸與電學接觸特性。并通過對界面的優化,實現了目前已知最高性能的二維有機薄膜晶體管,取得突破性進展。相關研究成果以“Ultrahigh mobility and efficient charge injection in monolayer organic thin-film transistors on boron nitride”為題于2017年9月6日發表在《科學》子刊《Science Advances》上(DOI: 10.1126/sciadv.1701186)。該文是我校首篇在該刊上發表的研究論文。网赌平台直博研究生喬婧思與南京大學博士后何道偉是論文的共同第一作者。物理學系季威教授和南京大學王欣然、施毅教授是論文的共同通訊作者。該研究課題得到了國家自然科學基金委員會,教育部和中國人民大學等的支持。

近年來,二維層狀材料因其各方面的優良特性,在構筑新型高效率微電子器件、光電子器件、太陽能電池、柔性電路、傳感器等領域中起到重要作用。其中,有機二維材料因其分子組成的多樣化,高柔性等特點,被越來越多地應用到新型電子器件中。雖然傳統有機薄膜晶體管載流子遷移率已經超過10cm2/Vs, 可比擬有機單晶材料甚至多晶硅,但是其性能通常會受到電極接觸及器件溝道材料雜質缺陷等方面的限制。因此,若試圖完全發揮出二維OTFT的潛能,還需要對器件的各個界面進行系統優化,并從分子尺度上對電荷傳輸和接觸電阻等問題深入理解。針對上述問題,研究團隊在此前對二維有機并五苯薄膜電學性質實現精確調控的基礎上[Phys. Rev. Lett. 116, 016602 (2016)],進一步深入探討了二維C8-BTBT OTFT的本征載流子傳輸與電學接觸特性,通過界面優化,實現了目前最高性能的二維OTFT。

理論計算發現, 由于第一層(1L,圖a)和第二層(2L,圖b)C8-BTBT分子堆疊不同,引起了費米面附近的態密度和分子軌道局域程度出現明顯差異(圖d-f),使得1L和2L C8-BTBT分子與電極之間呈現不同的界面輸運機制。1L C8-BTBT在費米面附近有較高的態密度和良好的傳導態,增加載流子電荷隧穿概率、誘導了1L C8-BTBT和電極界面之間發生隧穿輸運,顯著地降低了C8-BTBT和金電極之間的接觸電阻,實現歐姆接觸。而2L費米面附近態密度較低,離費米面最近的分子軌道呈現局域態,導致2L C8-BTBT分子和電極的界面之間出現一個較大的肖特基勢壘,而這一勢壘通過引入石墨烯緩沖層可以得到明顯改善。

實驗合作團隊用無破壞性的電極轉移工藝制作出單層有機分子薄膜晶體多電極器件,實現了金屬電極與溝道材料的完美接觸(圖c),極大地改善了器件的接觸特性,大幅度地降低了器件的縱向寄生電阻,在單層C8-BTBT OTFT 中實現了具有已知最低電阻的歐姆接觸。完美的界面接觸極大地提升了器件的電學性能,在室溫下得到了超過30 cm2/Vs的載流子遷移率,表現出部分理想晶體管特征。上述實驗發現與理論計算結果高度一致。

該成果表明二維超薄的OTFT既可以實現超高的電學性能,又為探索有機電子過程的內稟特性提供了一個新的平臺。同時開啟了利用分子堆積的精準構筑,調控電荷傳輸及接觸特性的新思路。

  

圖a:1L C8-BTBT和金電極接觸構型示意圖。圖b:2L C8-BTBT構型。圖c:1L C8-BTBT薄膜晶體多電極器件高分辨透射電子顯微鏡圖像。圖d:1L, 2L C8-BTBT與金電極的能級分布。圖e:1L, 2L C8-BTBT電子態密度。圖f:1L, 2L C8-BTBT最高占據態波函數。

   

   《科學》雜志是由美國國家科學促進會主辦的期刊,其與英國自然出版集團的旗艦期刊《自然》被廣泛認為是兩本最權威的自然科學綜合性期刊。《Science Advances》是《科學》雜志子刊, 2015年初創刊,主要發表自然科學各學科有重大突破性進展的高質量研究成果。

   

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