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天津大學李榮金課題組：二維分子晶體做表面摻雜劑實現(xiàn)有機半導體電學性能的高效和可控調(diào)控
天津大學李榮金研究員等利用二維分子晶體做表面摻雜劑，基于一維/二維復合單晶顯著提高了有機場效應晶體管遷移率并降低閾值電壓。






有機場效應晶體管（OFET）是未來柔性電子器件的關(guān)鍵組成部分。摻雜是提高OFET性能的重要手段。有機半導體主要有兩種摻雜策略。第一種是體相摻雜，它采用共蒸、旋涂等方式將摻雜劑與主體材料均勻混合。然而，體相摻雜相當于向主體材料中引入結(jié)構(gòu)和能級缺陷，通常會降低有機半導體的遷移率。另一種策略是表面摻雜，它將摻雜劑引入有機半導體的表面。與體相摻雜相比，表面摻雜可避免在主體材料中引入結(jié)構(gòu)和能級缺陷，理論上更容易得到高性能器件。到目前為止，各種結(jié)構(gòu)的摻雜劑已被應用于表面摻雜。然而，大多數(shù)摻雜劑是多晶薄膜，其厚度沒有嚴格控制，對有機半導體性能的調(diào)控不夠令人滿意。

二維分子晶體（two-dimensional molecular crystals, 2DMCs）是二維原子晶體的有機對應物，指單分子層或數(shù)個分子層的有機分子通過分子間弱相互作用周期排列形成的二維固態(tài)薄膜。二維分子晶體超薄、有序及厚度可精確調(diào)控的特點，表明他們可能是一類優(yōu)異的摻雜劑。
最近，天津大學李榮金研究員等利用二維分子晶體高效、可控的表面摻雜作用（圖1），基于一維/二維復合單晶實現(xiàn)了有機場效應晶體管遷移率的顯著提高以及閾值電壓的有效降低。二維分子晶體超薄柔韌的特性保證了其可通過范德華力與主體材料表面緊密結(jié)合，實現(xiàn)高效摻雜。更重要的是，分子級可控厚度的二維分子晶體實現(xiàn)了對主體材料的精確摻雜。

圖1 二維分子晶體做表面摻雜劑實現(xiàn)有機半導體電學性能的高效和可控調(diào)控

以TIPS-pentacene一維單晶微米線為例，研究發(fā)現(xiàn)摻雜可使其平均遷移率從1.31 cm2 V-1 s-1顯著提高到4.71 cm2 V-1 s-1，閾值電壓從-18.5 V大幅降低到-1.8 V。最大遷移率達5.63 cm2 V-1 s-1，高于絕大多數(shù)報道的TIPS-pentacene的遷移率。二維分子晶體表面摻雜的另一個優(yōu)勢是可以獲得高的開關(guān)比（~108）。盡管這種表面摻雜的機理有待進一步探索，二維分子晶體作為一類新型摻雜劑，有望實現(xiàn)有機半導體電學性能的高效、可控調(diào)節(jié)。論文第一作者為天津大學張鈺、楊書院和朱曉婷，通訊作者為李榮金研究員。 

Citation：Zhang Y, Yang S, Zhu X, Zhai F, Feng Y, Feng W, Zhang X, Li R, Hu W. Highly efficient modulation of the electronic properties of organic semiconductors by surface doping with 2D molecular crystals. Sci China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9765-8.


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