中科院江浪、易院平&華中科技大學王帥Nat. Commun.:亞5nm單晶有機p-n異質結

【引言】

半導體p–n異質結是各種光電器件的重要組成部分，也是研究器件物理的重要平臺，盡管到目前為止，大多數p–n異質結都基于無機半導體。以有機光伏（OPV）器件為例，在p–n異質結界面處發生了一些關鍵的物理過程，例如激子解離，這些物理過程基本上控制著OPV的效率。但是，有關這些過程的基本物理機制仍在爭論中。這是因為在OPV中，激子擴散長度通常約為5–20 nm，而p–n結的厚度通常高于該長度。因此，激子擴散范圍之外的半導體層為探索其下面的激子相關工藝帶來了挑戰。另一方面，當PN結的厚度減小到分子水平時，由光子吸收產生的激子將以低損耗直接存在于PN結的界面，然后可能完全分解成自由空穴和電子。通過實驗驗證，當微相疇的尺寸減小時，可以獲得更高的器件性能，并且優化的微相疇的尺寸可能會因所使用的材料而異。然而，體異質結不可避免地包括結構紊亂和具有界面缺陷的復雜的互穿晶界，這為闡明OPV研究中的激子物理特性帶來了困難。因此，在單分子層厚度極限處獲得原子定義明確的界面而獲得高度有序的晶體p–n異質結，是研究激子物理的一種有效策略，不受激子擴散長度的限制，也是一種揭示激子基本機理的有效方法。由單層分子晶體（MMC）組成的有機p–n結結合了MMC和晶體異質結的優點，它們不僅在分子晶體中具有固有的高效載流子傳輸能力，而且具有原子清晰的結界面的雙層厚度，提供了完美的結合解決上述挑戰。但是，這種薄的單晶PN異質結的直接生長仍然是一個巨大的挑戰，這極大地限制了它們在有機光電器件中的應用。

【成果簡介】

新興的高性能有機光伏器件的基礎是塊狀異質結，通常包含結構紊亂和具有界面缺陷的雙連續互穿晶界。了解有機異質結的性質非常需要具有良好定義的界面和量身定制的層厚度的高度有序的晶體有機p–n異質結。然而，這種晶體有機PN異質結的直接生長仍然是一個巨大的挑戰。中科院江浪、易院平&華中科技大學王帥報道了一種基于p–n異質結制造單層分子晶體的設計原理。在有機場效應晶體管中，實現了與單組分單層分子晶體器件相當的平衡雙極性電荷傳輸，證明了異質結中的高質量界面。在基于p–n結的有機太陽能電池器件中，該器件展現出高達1.04 V的柵極可調開路電壓，這在有機單晶光伏電池中是創紀錄的高值。該成果以題為“Sub-5 nm single crystalline organic p-n heterojunctions”發表在Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1.2,6-雙(4-己基苯基)蒽（C6DPA）單層分子晶體（MMC）和雙分子層p-n異質結的表征

（a）C6DPA MMC的分子排列，厚度約為2.7 nm?（b–f）C6DPA MMC的表征 （g）雙分子層p–n異質結的分子排列示意圖 （h–n）基于p–n異質結的NDI-C6DPA MMC的表征

圖2.C6DPA MMC的自組裝過程

（a-d）C6DPA MMC的快速二次離子質譜（TOF-SIMS）圖像 （e）MMC形成的分子動力學模擬

圖3.MMC和雙分子層PN異質結器件的電性能

（a-b）p型C6DPA和n型NDI MMC器件的傳輸曲線（c）具有不同分子層的C6DPA器件的移動性（d）基于NDI（n型）-C6DPA（p型）異質結的雙極型器件和逆變器器件的示意圖（e）p–n異質結器件的傳遞曲線 （f）VDD = ?60 V時的逆變器特性

圖4.雙分子層NDI（n型）-C6DPA（p型）異質結器件的光伏性能

（a）在白光照射下具有不同柵極電壓的器件的電流-電壓特性 （c）在VG = ?40 V時具有不同光強度的設備的電流-電壓特性 （b,d）短路電流（Isc）和開路電壓（Voc）與柵極電壓和光強度的關系

【小結】

文章報道了一種簡單通用的方法，即二維相分離法，通過將小分子半導體與非晶態聚合物混合，可控地制備均勻，高質量和大面積的MMC。 通過這種方法，成功獲得了橫向尺寸大于400μm的C6DPA MMC。更重要的是，發現該方法通常適用于其他小分子半導體，例如C8BTBT，HTEB和NDI，并且可以在各種基板上執行。此外，作者報道了構建具有原子清潔和尖銳界面的超薄垂直有機晶體p–n結的一步式生長策略，并展示了它們在原型光伏器件中的應用。這項研究不僅為制造基于MMC的p–n異質結提供了一種簡單而有效的解決方案，而且為在單層限制下實現下一代光電器件提供了一種有前途的策略。

文獻鏈接：Sub-5 nm single crystalline organic p-n heterojunctions. Nat. Commun., 2021, DOI:10.1038/s41467-021-23066-3

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?