Nature Materials: 有机半导体中的二维空穴气体

Nature Materials:有机半导体中的二维空穴气体

【引言】

半导体异质结构中的金属气体，也称为二维电子气或二维空穴气，是探索凝聚态物理基本原理和开发高性能器件的迷人平台。在过去的40年里，研究者已经广泛地在化合物半导体之间的界面上以及在氧化物绝缘体之间的界面上发现了二维电子气，这一发现对于深入理解非凡电子态提供了重要思路，并已被广泛应用于各种高频器件(最具代表性的例子是高电子迁移率晶体管)。然而，目前研究者想要在p型界面上使用它们的对应物(即二维空穴气)却仍然受到限制。二维空穴气的缺乏受到传统半导体异质界面的经典物理学性质的限制，即宽隙半导体通常具有重价带，导致低的空穴迁移率和深的价带，从而抑制了二维空穴气的形成。此外，原子尺度精度的晶格连续性、极性不连续性、悬空键的极端消除效应和悬空键的过剩电子等因素也会抑制空穴的传输。

高载流子密度下的金属相在有机半导体领域得到了广泛的研究。最近的研究表明，没有任何悬空键的自组装分子可以构建高度周期性的静电势，甚至在范德华键分子晶体中也实现了相干能带空穴系统。尽管最近在材料科学和印刷技术领域成功地获得了单晶形式的有机半导体，但目前还没有在有机半导体中观察到明显的金属气体状态。

【研究进展】

近日，日本东京大学Jun Takeya和Shun Watanabe (共同通讯作者)在Nature Materials上发表了一篇题目为“Two-dimensional hole gas in organic semiconductors”的文章。首次报道了溶液法制备了基于单晶有机半导体的二维空穴气。研究证明，在环境压力下，溶液处理的单晶有机半导体中存在金属-绝缘体转变。在这个有机半导体中，载流子密度达到1×10¹⁴cm⁻²的空穴气可以限制在有机半导体(OSC)/电双层(EDL)界面上。并且观察到明显的金属特征，在T=15 K的温度下，最小电阻为6 KΩ（低于二维量子值h/e²）。

【图文简介】

图1在C₈-DNBDT-NW的单晶双层上形成EDL

(a-b) 不含烷基侧链的C₈-DNBDT-NW的化学结构（a）和晶体结构（b）；

(c) 连续边缘铸造方法示意图；

(d) 光学显微镜图像，其中通道长度和宽度分别设计为250 μm和60μm；

(e) 当前C₈-DNBDT-NW EDL源电极示意图；D、 漏极；G、 栅极电极；

(f) 离子液体/C₈-DNBDT-NW界面示意图。

图2使用EDLTs实现高载流子密度

(a) T=260 K时的传输特性；

(b) 在T=180 K时，在不同V_G下，相对于外部磁场B的霍尔电阻R_xy曲线；

(c-e) V_G和方阻的关系；

图3 C₈-DNBDT-NW的金属-绝缘体过渡

(a) 在不同V_G下，方阻的温度依赖性；

(b) 电导率量子e²/h归一化的σ_sheet的V_G依赖性；

(c) C₈-DNBDT-NW价带的能带色散和积分态密度；

图4 C₈-DNBDT-NW的霍尔效应测量

(a) 不同n_Hall下μ_Hall的T依赖性（T=180 K）；

(b) 霍尔载流子密度的T依赖性n_Hall= (eR_H)⁻¹在不同的V_G。

【小结】

该报告实现了室温下一次性印刷OSCs墨水，通过自组装的策略制备了二维分子纳米片，其大面积覆盖率可达100 cm²。这项研究克服了OSCs中不可避免的静态无序，证明了OSC在常压下能够实现金属-绝缘体转变。所观察的二维空穴气的载流子密度高达每分子0.25个空穴，片状电阻明显低至6 kΩ。并且观察到相对较大的r_S(衡量电子相关性的一个特征参数)，这意味着这种高掺杂的OSC可以被归入强相关的二维系统。此外，随温度变化的霍尔系数表明了低温下的电子关联。研究者认为本研究中提出的有机二维空穴气将成为对OSC中电子状态的基本理解是一个里程式的研究进展，此外，EDL填充的可调谐载流子也对于有机半导体材料实验和理论研究具有重要的促进作用。

文献链接：Two-dimensional hole gas in organic semiconductors, 2021, Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-021-01074-4