季威 研究組 供稿?

近日，中國人民大學(xué)物理學(xué)系季威教授，與南京大學(xué)王欣然教授、施毅教授，香港中文大學(xué)許建斌教授等課題組通力合作，在二維有機半導(dǎo)體的精確可控外延生長、輸運性質(zhì)調(diào)控和電子器件研究中取得突破性進展，實現(xiàn)了分子尺度二維有機材料電子學(xué)性質(zhì)精確調(diào)控。相關(guān)研究成果于2016年1月5日在線發(fā)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(xué)會還特別邀請Rice大學(xué)的Natelson教授，根據(jù)該文研究內(nèi)容，在學(xué)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(chǔ)。目前，晶體管尺寸正根據(jù)摩爾定律的預(yù)測逐漸逼近其物理極限，由此產(chǎn)生了諸多問題和困難。二維層狀材料在構(gòu)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(xué)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(dǎo)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(guān)注。有機晶體管的電荷傳輸過程發(fā)生在界面附近的幾個分子層內(nèi)。因此，精確制備少層有機晶體是在分子尺度上理解和調(diào)控電荷輸運性質(zhì)的基礎(chǔ)，對于有機電子學(xué)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(dǎo)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(xiàn)了高質(zhì)量、層數(shù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖b：第2層分子間成鍵態(tài)波函數(shù)實空間分布；圖c：第3層分子間成鍵態(tài)波函數(shù)實空間分布。

合作團隊發(fā)現(xiàn)了分子薄膜從1層(圖a中WL)到3層(圖a中2L)的結(jié)構(gòu)相變，即每一層的結(jié)構(gòu)都不盡相同?！斑@主要是因為在并五苯分子的層內(nèi)和層間分子間相互作用存在競爭關(guān)系，從而產(chǎn)生了不同分子層的晶體結(jié)構(gòu)之間的差異，而這些結(jié)構(gòu)差異又進一步導(dǎo)致了截然不同的電子學(xué)性質(zhì)。”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(xiàn)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(jié)果就是每層材料的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不同的三層薄膜中還發(fā)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(jié)構(gòu)與電子輸運性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。季威教授介紹到：“南京大學(xué)和香港中文大學(xué)的實驗合作者們構(gòu)筑了幾乎完美的樣品，這使得我們可以把理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果直接比較并確定材料結(jié)構(gòu)和物性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)”。物理系博士生喬婧思的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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(shù)交疊?！暗@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(xù)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(jù)腳下石頭和具體落腳點的位置調(diào)整步幅，所以速度很難快起來?！边@種情況在第3層薄膜中則有了明顯改善。喬婧思的計算結(jié)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(jié)構(gòu)已經(jīng)與大塊分子晶體十分接近了，分子間存在連貫的波函數(shù)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(dān)心的可能只是天氣怎么樣”?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，合作團隊還利用并五苯外延薄膜制備了高性能的場效應(yīng)晶體管，其性能可以與有機單晶場效應(yīng)晶體管媲美。

“這是一個非常好的開端，他預(yù)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(xiàn)”，季威教授展望這一工作前景時說。據(jù)悉，合作團隊開發(fā)的范德華外延技術(shù)還有望應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)和超晶格等更為復(fù)雜的有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件，從而進一步推動有機電子學(xué)的發(fā)展。盡管這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)在無機半導(dǎo)體器件中有著廣泛的應(yīng)用，但其在有機半導(dǎo)體中還尚未實現(xiàn)。

該研究工作得到了教育部、科技部、國家自然科學(xué)基金委員會和中國人民大學(xué)等的支持。中國人民大學(xué)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(xué)領(lǐng)域的頂級期刊，也是美國物理學(xué)會的旗艦期刊，報道物理學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域最突出的前沿研究成果。美國物理學(xué)會《物理》雜志是一份在線新聞和評論雜志，報道美國物理學(xué)會期刊上發(fā)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(fā)表?！坝^點”文章一般由《物理》雜志邀請相關(guān)領(lǐng)域的資深專家為最突出的工作撰寫，是對發(fā)表在美國物理學(xué)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,
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》雜志觀點評論：Douglas Natelson, Precise Layering of Organic Semiconductors, Physics 9, 1 (2016)