Nano Letters：利用范德華相互作用實現超薄有機半導體及異質結的精確可控外延

異質結被廣泛地應用在當今的半導體器件中。分子束外延（MBE）技術是制備有機半導體的常用方法。MBE要求有機材料和生長襯底的晶格匹配和超高真空（UHV）的條件。此外，由于有機半導體層間是以較弱的范德華力結合，這些限制條件使得有機半導體的制備具有極大的挑戰。目前，自組裝單層（SAM）技術已經實現了單層有機薄膜在塊狀襯底上的生長，但是對用于先進器件的層-層異質結的制備仍具有很大的挑戰性。

近日，南京大學王欣然等人通過利用自限制分子束外延（SLOMBE）技術實現了超薄有機半導體層與層間的可控外延生長，制備出的異質結具有前所未有的精度，可以精確控制層數和自限制特征。并且驗證了有機p-n結具有分子級的平整界面，具有出色的整流特性和光伏響應。這項技術有望被廣泛應用于制備有機半導體的層-層異質結，促進有機半導體在先進光電器件的應用。

【圖文解讀】

圖1 C8-BTBT的SLOMBE。（a）上圖是管式爐生長的示意圖，下圖是爐內溫度隨相對中心位置的變化曲線，根據溫度變化，將管式爐分為三個區域，三個區域具有不同的生長行為；（b）藍色點：數值計算出的單個C8-BTBT分子和不同層數的C8-BTBT在石墨烯上的結合能，紅色虛線：C8-BTBT和C8-BTBT結合所需要的臨界值，插圖是C8-BTBT的分子結構和不同C8-BTBT層在石墨烯上的分子結合形狀。（c-e）C8-BTBT在管式爐三個區域生長得到的樣品的AFM圖像。

圖2 石墨烯上的C8-BTBT晶體的表征。（a）左圖為生長前石墨烯的AFM圖像，右圖是在石墨烯上利用SLOMBE生長單層C8-BTBT晶體的AFM圖像，尺度條：2μm；（b）a圖樣品的拉曼光譜，可以清晰地看出石墨烯和C8-BTBT的信號峰，插圖是C8-BTBT的拉曼光譜。尺度條：2μm；（C）左圖為生長前石墨烯的AFM圖像，右圖為石墨烯上生長兩層C8-BTBT晶體的AFM圖像，右邊的插圖是2.3nm×2.3nm樣品的高分辨AFM圖像，從中可以看出被預測的分子結合方式，尺度條：2μm；（d）c圖樣品的極化吸收顯微鏡圖像，這兩張照片相對旋轉了90度角，尺度條：2μm；（e）石墨烯（上圖）和ILC8-BTBT（下圖）上吸附一個C8-BTBT分子的MD模擬，向上速度為0.95nm/ps；（f）IL（上圖）和1L（下圖）C8-BTBT上吸附一個C8-BTBT分子的MD模擬，向上速度為0.65nm/ps。

圖3 C8-BTBT層的反向生長。（a-d）同一個C8-BTBT/石墨烯樣品在逐漸增加退火溫度下的AFM圖像，尺度條：2μm；（e）反向生長過程的MD模擬，襯底溫度在前兩步為700K，第三步為800K。

圖4 PTCDA和異質結的SLOMBE。（a-c）一個石墨烯樣品在生長前（a），利用SLOMBE生長了單層PTCDA（b）和在PTCDA上生長了兩層C8-BTBT（c）后的光學顯微鏡圖像；b和c中的插圖為對應結構的效果示意圖；（d-f）a-c三個圖對應樣品的AFM圖像，尺度條：5μm；（g）b圖樣品的拉曼光譜，清晰地展示了PTCDA的拉曼特征譜，插圖為PTCDA的分子結構；（h）在PTCDA上生長C8-BTBT前后的光致發光（PL）光譜，插圖為異質結的能帶圖和電子遷移過程；（j）PTCDA上生長少層C8-BTBT的（開爾文探針力顯微鏡）KPFM圖像，尺度條：200nm；（k）相對表面勢隨C8-BTBT厚度變化值，紅色線為突變結模型中的二次函數擬合曲線。

圖5 PTCDA/C8-BTBT p-n異質結的光電器件。（a）器件的示意布局圖；（b）在反向偏壓（左圖）和正向偏壓（右圖）下器件的能帶圖；（c）在線性（黑色）和對數（藍色）視角下p-n結的輸出特征，紅色線為標準二極管模型的擬合曲線；（d）在黑暗環境（黑色）和0.67μW激光照射（紅色）下p-n結的輸出特征。

【作者簡介】

王欣然，南京大學電子科學與工程學院教授，博士生導師。2004年本科畢業于南京大學物理系，2010年獲得斯坦福大學物理學博士學位。2010-2011年先后在美國斯坦福大學和伊利諾伊大學香檳分校做博士后研究員。2011年入選首批“青年千人計劃”，2013年獲得國家杰出青年基金，2014年入選長江學者特聘教授。王欣然教授的主要研究方向為二維層狀材料的合成、性質、信息器件及柔性電子學。已經在Science，Nature，Nature子刊等頂級學術期刊發表10余篇學術論文，總引用次數超過12000次。目前擔任Scientific Reports、半導體學報等期刊編委，2014年擔任江蘇省第五屆青年科學家年會執委會主席。近年來獲得的獎項包括：2008年獲得國家優秀自費留學生獎學金，2010年獲得美國材料學會“優秀博士生銀獎”，2014年獲得“江蘇青年五四獎章”以及“中國僑界貢獻獎（創新人才）”，2016年獲得“中國青年五四獎章” 。

課題組網頁：http://ese.nju.edu.cn/wang_lab/index.html

【備注】

該研究成果近期發表在Nano letter (IF:13.592) 上，文獻鏈接：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）

本文由材料人科普團隊學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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