近日，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系季威教授，與南京大學(xué)王欣然教授、施毅教授，香港中文大學(xué)許建斌教授，日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)戚亞冰教授等組成研究團(tuán)隊(duì)，深入探討了二維C8-BTBT有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）的本征載流子傳輸與電學(xué)接觸特性。并通過(guò)對(duì)界面的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了目前已知最高性能的二維有機(jī)薄膜晶體管，取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Ultrahigh mobility and efficient charge injection in monolayer organic thin-film transistors on boron nitride”為題于2017年9月6日發(fā)表在《科學(xué)》子刊《Science Advances》上（DOI: 10.1126/sciadv.1701186）。該文是我校首篇在該刊上發(fā)表的研究論文。中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系直博研究生喬婧思與南京大學(xué)博士后何道偉是論文的共同第一作者。物理學(xué)系季威教授和南京大學(xué)王欣然、施毅教授是論文的共同通訊作者。該研究課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，教育部和中國(guó)人民大學(xué)等的支持。

近年來(lái)，二維層狀材料因其各方面的優(yōu)良特性，在構(gòu)筑新型高效率微電子器件、光電子器件、太陽(yáng)能電池、柔性電路、傳感器等領(lǐng)域中起到重要作用。其中，有機(jī)二維材料因其分子組成的多樣化，高柔性等特點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用到新型電子器件中。雖然傳統(tǒng)有機(jī)薄膜晶體管載流子遷移率已經(jīng)超過(guò)10cm2/Vs, 可比擬有機(jī)單晶材料甚至多晶硅，但是其性能通常會(huì)受到電極接觸及器件溝道材料雜質(zhì)缺陷等方面的限制。因此，若試圖完全發(fā)揮出二維OTFT的潛能，還需要對(duì)器件的各個(gè)界面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，并從分子尺度上對(duì)電荷傳輸和接觸電阻等問(wèn)題深入理解。針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在此前對(duì)二維有機(jī)并五苯薄膜電學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控的基礎(chǔ)上[Phys. Rev. Lett. 116, 016602 (2016)]，進(jìn)一步深入探討了二維C8-BTBT OTFT的本征載流子傳輸與電學(xué)接觸特性，通過(guò)界面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了目前最高性能的二維OTFT。

理論計(jì)算發(fā)現(xiàn), 由于第一層（1L，圖a）和第二層（2L，圖b）C8-BTBT分子堆疊不同，引起了費(fèi)米面附近的態(tài)密度和分子軌道局域程度出現(xiàn)明顯差異（圖d-f），使得1L和2L C8-BTBT分子與電極之間呈現(xiàn)不同的界面輸運(yùn)機(jī)制。1L C8-BTBT在費(fèi)米面附近有較高的態(tài)密度和良好的傳導(dǎo)態(tài)，增加載流子電荷隧穿概率、誘導(dǎo)了1L C8-BTBT和電極界面之間發(fā)生隧穿輸運(yùn)，顯著地降低了C8-BTBT和金電極之間的接觸電阻，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。而2L費(fèi)米面附近態(tài)密度較低，離費(fèi)米面最近的分子軌道呈現(xiàn)局域態(tài)，導(dǎo)致2L C8-BTBT分子和電極的界面之間出現(xiàn)一個(gè)較大的肖特基勢(shì)壘，而這一勢(shì)壘通過(guò)引入石墨烯緩沖層可以得到明顯改善。

實(shí)驗(yàn)合作團(tuán)隊(duì)用無(wú)破壞性的電極轉(zhuǎn)移工藝制作出單層有機(jī)分子薄膜晶體多電極器件，實(shí)現(xiàn)了金屬電極與溝道材料的完美接觸（圖c），極大地改善了器件的接觸特性，大幅度地降低了器件的縱向寄生電阻，在單層C8-BTBT OTFT 中實(shí)現(xiàn)了具有已知最低電阻的歐姆接觸。完美的界面接觸極大地提升了器件的電學(xué)性能，在室溫下得到了超過(guò)30 cm2/Vs的載流子遷移率，表現(xiàn)出部分理想晶體管特征。上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與理論計(jì)算結(jié)果高度一致。

該成果表明二維超薄的OTFT既可以實(shí)現(xiàn)超高的電學(xué)性能，又為探索有機(jī)電子過(guò)程的內(nèi)稟特性提供了一個(gè)新的平臺(tái)。同時(shí)開(kāi)啟了利用分子堆積的精準(zhǔn)構(gòu)筑，調(diào)控電荷傳輸及接觸特性的新思路。

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圖a：1L C8-BTBT和金電極接觸構(gòu)型示意圖。圖b：2L C8-BTBT構(gòu)型。圖c：1L C8-BTBT薄膜晶體多電極器件高分辨透射電子顯微鏡圖像。圖d：1L, 2L C8-BTBT與金電極的能級(jí)分布。圖e：1L, 2L C8-BTBT電子態(tài)密度。圖f：1L, 2L C8-BTBT最高占據(jù)態(tài)波函數(shù)。

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? ?《科學(xué)》雜志是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)促進(jìn)會(huì)主辦的期刊，其與英國(guó)自然出版集團(tuán)的旗艦期刊《自然》被廣泛認(rèn)為是兩本最權(quán)威的自然科學(xué)綜合性期刊。《Science Advances》是《科學(xué)》雜志子刊， 2015年初創(chuàng)刊，主要發(fā)表自然科學(xué)各學(xué)科有重大突破性進(jìn)展的高質(zhì)量研究成果。

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??原文鏈接：Ultrahigh mobility and efficient charge injection in monolayer organic thin-film transistors on boron nitride

??引申閱讀：物理學(xué)系在二維有機(jī)半導(dǎo)體研究領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展

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