Nat. Commun.：n型單層分子晶體的自下而上生長應用于光電器件

【引言】

在20世紀70年代提出的單層功能分子在電介質表面上的自組裝是用于開發的分子器件的有前景的方法。半自發共軛分子的自組裝單層表現出低的遷移率，并且自組裝單層分子晶體難以按比例放大并僅限于在由羥基封端的基板上生長，這使得它們難以具有復雜的器件功能，特別是對于依賴于n型電子傳輸的器件，由于電子遭受嚴重的電荷俘獲在羥基封端的表面上。

【成果簡介】

近日，來自天津大學的胡文平（通訊作者）和中科院化學所的Jiang Lang（共同通訊作者）的團隊在Nat. Commun.上發表了題為Bottom-up growth of n-type monolayer molecular crystals on polymeric substrate for optoelectronic device applications，該團隊采用重力輔助的二維空間限制方法可以在無羥基聚合物表面上生長具有1.24cm²V^-1s^-1的高場效應遷移率和帶狀傳輸特性的n型單層分子晶體。他們使用這些單層分子晶體來實現高性能晶體、柵極/光可調諧橫向有機p-n二極管，實驗結果表明該方法可以實現各種更復雜的器件架構，用于器件物理學的基礎研究和一系列光電應用。

【圖文導讀】

圖1：CMUT分子結構示意圖和MMCs的制備過程

(a): CMUT的分子結構；

(b): 制備MMC的示意圖；

(d): 光學顯微鏡圖和處理的SiO₂/Si襯底上的MMC的AFM圖。

圖2：SiO₂/Si上單層CMUT的結構表征

(a): 單層的GIWAXS模式；

(b-c): 單層HR-AFM圖；

(d): 單層晶體結構。

圖3：MMC的電氣特性

(a-b): BCB/SiO₂襯底上MMC器件的傳輸和輸出曲線；

(c): 場效應遷移率曲線；

(d): BCB/SiO₂上不同長度的MMC FET的電子遷移率和漏極電流；

(e): 在BCB/SiO₂上不同柵極電壓下，MMC FET和FET的接觸電阻；

(f): MMC在SiO₂（紅球）和BCB/SiO₂（藍三角）上的溫度依賴性；

(g-h): 完全優化的本體和單層晶體的能帶結構和態密度圖。

圖4：橫向有機p-n二極管的光電特性

(a): 橫向有機p-n二極管的示意圖；

(b): p-n二極管的熒光映射；

(c): p-n二極管的傳輸特性；

(d): p-n二極管的柵極偏置電壓；

(e): p-n二極管的整流曲線；

(f): p-n二極管在不同柵極電壓下的光敏特性。

【小結】

該團隊通過重力輔助二維空間限制法在SiO₂/Si和聚合物基底上成功制備了大面積的n型MMC。MMC FET顯示出高達1.24 cm²V^-1s^-1的高遷移率，高性能MMC FET為進行電荷傳輸研究提供了一個很好的平臺。基于BCB/SiO₂基板的MMC晶體管在200K以上的溫度下表現出帶狀傳輸，熱活化傳輸具有低熱激活能量，他們實現了基于MMC的高性能柵極/光可調諧橫向有機晶體p-n結，在暗條件下和光照條件下，整流比分別為4×10⁵和1.8×10⁶，光敏度高達10⁷，遠遠高于先前報道的值。同時他們在無陷阱聚合物表面上生長MMC的簡便方法有望用于制備MMC分子設計要求的各種材料。

文獻鏈接：Bottom-up growth of n-type monolayer molecular crystals on polymeric substrate for optoelectronic device applications（Nat. Commun.2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05390-3）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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