Nature Materials: 有機半導體中的二維空穴氣體

Nature Materials: 有機半導體中的二維空穴氣體

【引言】

半導體異質結構中的金屬氣體，也稱為二維電子氣或二維空穴氣，是探索凝聚態物理基本原理和開發高性能器件的迷人平臺。在過去的40年里，研究者已經廣泛地在化合物半導體之間的界面上以及在氧化物絕緣體之間的界面上發現了二維電子氣，這一發現對于深入理解非凡電子態提供了重要思路，并已被廣泛應用于各種高頻器件(最具代表性的例子是高電子遷移率晶體管)。然而，目前研究者想要在p型界面上使用它們的對應物(即二維空穴氣)卻仍然受到限制。二維空穴氣的缺乏受到傳統半導體異質界面的經典物理學性質的限制，即寬隙半導體通常具有重價帶，導致低的空穴遷移率和深的價帶，從而抑制了二維空穴氣的形成。此外，原子尺度精度的晶格連續性、極性不連續性、懸空鍵的極端消除效應和懸空鍵的過剩電子等因素也會抑制空穴的傳輸。

??高載流子密度下的金屬相在有機半導體領域得到了廣泛的研究。最近的研究表明，沒有任何懸空鍵的自組裝分子可以構建高度周期性的靜電勢，甚至在范德華鍵分子晶體中也實現了相干能帶空穴系統。盡管最近在材料科學和印刷技術領域成功地獲得了單晶形式的有機半導體，但目前還沒有在有機半導體中觀察到明顯的金屬氣體狀態。

【研究進展】

??近日，日本東京大學Jun Takeya和Shun Watanabe (共同通訊作者)在Nature Materials上發表了一篇題目為“Two-dimensional hole gas in organic semiconductors”的文章。首次報道了溶液法制備了基于單晶有機半導體的二維空穴氣。研究證明，在環境壓力下，溶液處理的單晶有機半導體中存在金屬-絕緣體轉變。在這個有機半導體中，載流子密度達到1×10¹⁴ cm^?2的空穴氣可以限制在有機半導體(OSC)/電雙層(EDL)界面上。并且觀察到明顯的金屬特征，在T=15 K的溫度下，最小電阻為6 KΩ（低于二維量子值h/e²）。

【圖文簡介】

圖1 在C₈-DNBDT-NW的單晶雙層上形成EDL

(a-b) 不含烷基側鏈的C₈-DNBDT-NW的化學結構（a）和晶體結構（b）；

(c) 連續邊緣鑄造方法示意圖；

(d) 光學顯微鏡圖像，其中通道長度和寬度分別設計為250 μm和60μm；

(e) 當前C₈-DNBDT-NW EDL源電極示意圖；D、 漏極；G、 柵極電極；

(f) 離子液體/C₈-DNBDT-NW界面示意圖。

圖2 使用EDLTs實現高載流子密度

(a) T=260 K時的傳輸特性；

(b) 在T=180 K時，在不同V_G下，相對于外部磁場B的霍爾電阻R_xy曲線；

(c-e) V_G和方阻的關系；

圖3 C₈-DNBDT-NW的金屬-絕緣體過渡

(a) 在不同V_G下，方阻的溫度依賴性；

(b) 電導率量子e²/h歸一化的σ_sheet的V_G依賴性；

(c) C₈-DNBDT-NW價帶的能帶色散和積分態密度；

圖4 C₈-DNBDT-NW的霍爾效應測量

(a) 不同n_Hall下μ_Hall的T依賴性（T=180 K）；

(b) 霍爾載流子密度的T依賴性n_Hall= (eR_H)^?1在不同的V_G。

【小結】

該報告實現了室溫下一次性印刷OSCs墨水，通過自組裝的策略制備了二維分子納米片，其大面積覆蓋率可達100 cm²。這項研究克服了OSCs中不可避免的靜態無序，證明了OSC在常壓下能夠實現金屬-絕緣體轉變。所觀察的二維空穴氣的載流子密度高達每分子0.25個空穴，片狀電阻明顯低至6 kΩ。并且觀察到相對較大的r_S (衡量電子相關性的一個特征參數)，這意味著這種高摻雜的OSC可以被歸入強相關的二維系統。此外，隨溫度變化的霍爾系數表明了低溫下的電子關聯。研究者認為本研究中提出的有機二維空穴氣將成為對OSC中電子狀態的基本理解是一個里程式的研究進展，此外，EDL填充的可調諧載流子也對于有機半導體材料實驗和理論研究具有重要的促進作用。

文獻鏈接：Two-dimensional hole gas in organic semiconductors, 2021, Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-021-01074-4