Nano Letters:利用范德华相互作用实现超薄有机半导体及异质结的精确可控外延
异质结被广泛地应用在当今的半导体器件中。分子束外延(MBE)技术是制备有机半导体的常用方法。MBE要求有机材料和生长衬底的晶格匹配和超高真空(UHV)的条件。此外,由于有机半导体层间是以较弱的范德华力结合,这些限制条件使得有机半导体的制备具有极大的挑战。目前,自组装单层(SAM)技术已经实现了单层有机薄膜在块状衬底上的生长,但是对用于先进器件的层-层异质结的制备仍具有很大的挑战性。
近日,南京大学王欣然等人通过利用自限制分子束外延(SLOMBE)技术实现了超薄有机半导体层与层间的可控外延生长,制备出的异质结具有前所未有的精度,可以精确控制层数和自限制特征。并且验证了有机p-n结具有分子级的平整界面,具有出色的整流特性和光伏响应。这项技术有望被广泛应用于制备有机半导体的层-层异质结,促进有机半导体在先进光电器件的应用。
【图文解读】
图1C8-BTBT的SLOMBE。(a)上图是管式炉生长的示意图,下图是炉内温度随相对中心位置的变化曲线,根据温度变化,将管式炉分为三个区域,三个区域具有不同的生长行为;(b)蓝色点:数值计算出的单个C8-BTBT分子和不同层数的C8-BTBT在石墨烯上的结合能,红色虚线:C8-BTBT和C8-BTBT结合所需要的临界值,插图是C8-BTBT的分子结构和不同C8-BTBT层在石墨烯上的分子结合形状。(c-e)C8-BTBT在管式炉三个区域生长得到的样品的AFM图像。
图2石墨烯上的C8-BTBT晶体的表征。(a)左图为生长前石墨烯的AFM图像,右图是在石墨烯上利用SLOMBE生长单层C8-BTBT晶体的AFM图像,尺度条:2µm;(b)a图样品的拉曼光谱,可以清晰地看出石墨烯和C8-BTBT的信号峰,插图是C8-BTBT的拉曼光谱。尺度条:2µm;(C)左图为生长前石墨烯的AFM图像,右图为石墨烯上生长两层C8-BTBT晶体的AFM图像,右边的插图是2.3nm×2.3nm样品的高分辨AFM图像,从中可以看出被预测的分子结合方式,尺度条:2µm;(d)c图样品的极化吸收显微镜图像,这两张照片相对旋转了90度角,尺度条:2µm;(e)石墨烯(上图)和ILC8-BTBT(下图)上吸附一个C8-BTBT分子的MD模拟,向上速度为0.95nm/ps;(f)IL(上图)和1L(下图)C8-BTBT上吸附一个C8-BTBT分子的MD模拟,向上速度为0.65nm/ps。
图3C8-BTBT层的反向生长。(a-d)同一个C8-BTBT/石墨烯样品在逐渐增加退火温度下的AFM图像,尺度条:2µm;(e)反向生长过程的MD模拟,衬底温度在前两步为700K,第三步为800K。
图4PTCDA和异质结的SLOMBE。(a-c)一个石墨烯样品在生长前(a),利用SLOMBE生长了单层PTCDA(b)和在PTCDA上生长了两层C8-BTBT(c)后的光学显微镜图像;b和c中的插图为对应结构的效果示意图;(d-f)a-c三个图对应样品的AFM图像,尺度条:5µm;(g)b图样品的拉曼光谱,清晰地展示了PTCDA的拉曼特征谱,插图为PTCDA的分子结构;(h)在PTCDA上生长C8-BTBT前后的光致发光(PL)光谱,插图为异质结的能带图和电子迁移过程;(j)PTCDA上生长少层C8-BTBT的(开尔文探针力显微镜)KPFM图像,尺度条:200nm;(k)相对表面势随C8-BTBT厚度变化值,红色线为突变结模型中的二次函数拟合曲线。
图5PTCDA/C8-BTBT p-n异质结的光电器件。(a)器件的示意布局图;(b)在反向偏压(左图)和正向偏压(右图)下器件的能带图;(c)在线性(黑色)和对数(蓝色)视角下p-n结的输出特征,红色线为标准二极管模型的拟合曲线;(d)在黑暗环境(黑色)和0.67µW激光照射(红色)下p-n结的输出特征。
【作者简介】
王欣然,南京大学电子科学与工程学院教授,博士生导师。2004年本科毕业于南京大学物理系,2010年获得斯坦福大学物理学博士学位。2010-2011年先后在美国斯坦福大学和伊利诺伊大学香槟分校做博士后研究员。2011年入选首批“青年千人计划”,2013年获得国家杰出青年基金,2014年入选长江学者特聘教授。王欣然教授的主要研究方向为二维层状材料的合成、性质、信息器件及柔性电子学。已经在Science,Nature,Nature子刊等顶级学术期刊发表10余篇学术论文,总引用次数超过12000次。目前担任Scientific Reports、半导体学报等期刊编委,2014年担任江苏省第五届青年科学家年会执委会主席。近年来获得的奖项包括:2008年获得国家优秀自费留学生奖学金,2010年获得美国材料学会“优秀博士生银奖”,2014年获得“江苏青年五四奖章”以及“中国侨界贡献奖(创新人才)”,2016年获得“中国青年五四奖章” 。
课题组网页:http://ese.nju.edu.cn/wang_lab/index.html
【备注】
该研究成果近期发表在Nano letter(IF:13.592) 上,文献链接:Precise, self-limited epitaxy of ultrathin organic semiconductors and heterojunctions tailored by van der Waals interactions(Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01108)
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