有机半导体能带工程—-利用量子阱结构制备高电子迁移率晶体管

采用有机半导体制备的有机薄膜器件具有质轻、柔性和易于大面积加工等特点,已经受到了科学界和产业界的广泛关注。通过科研人员的努力有机半导体的迁移率近几年已经获得了大幅提升,并且超过了非晶硅。随着迁移率的提升,许多有机半导体表现出了能带或者类能带的传输特性,这已经被角分辨光电子能谱、霍尔效应和变温迁移率实验所证实。有机半导体的能带传输是其能带工程的基础,在理论上为其提供了可能,这为制备新原理和新构型的有机电子器件提供了机会。

能带工程是指通过人工剪裁的办法对材料的能带结构进行调控,使这些材料具有不同的物理化学性能。一个典型的例子是采用不同带隙宽度 AlGaAs 和 GaAs 制备异质结构,利用其能量势阱对电子的束缚作用,使电子在平行于界面方向上形成准二维电子气体(2DEG)。利用 2DEG 形成的沟道能够制备高电子迁移率晶体管(HEMT)。在这基础上进一步发展出了赝高电子迁移率晶体管,双层势垒结构更进一步的提升了载流浓度和迁移率。另外,在制备技术上,无机半导体中,通过分子束外延技术能够控制单层原子的生长,制备出低界面缺陷的无机异质结构。而对于有机半导体,弱外延生长技术(Adv. Mater. 2007, 19, 2168)能够制备高有序度、低晶界缺陷和表面平滑的晶体薄膜,进而能够获得平滑规整的有机异质界面。因此,有机半导体在理论基础和制备技术上均为其实现能带工程提供了可能。

日前,中科院长春应用化学研究所王海波和闫东航研究团队借鉴无机半导体能带工程的思想,在有机电子学中采用有机量子阱结构制备了高电子迁移率晶体管。宽带隙半导体六联苯(p-6P)和窄带隙半导体(VOPc)被分别用做量子阱的势垒和势阱,利用量子阱对载流子的束缚效应,将高浓度的电子束缚在量子阱内的分立化能级上,形成二维电子气。利用该二维电子气作为传输沟道,最高电子迁移率达到了10 cm2 V−1 s−1。由于VOPc在p-6P上表现出外延生长,保证了VOPc薄膜具有较高的规整性。相比于传统的场效应晶体管,有机二维电子气的优势在于其传输沟道位于有机半导体层的内部,远离有机/绝缘层界面,避免了界面缺陷和杂质散射等影响。另外,由于有机量子阱的束缚作用,导致了载流子的高密度和载流子的二维传输,这些方面均有效提高了电子的传输效率。

该工作说明了能带工程在有机电子学中的有效性,即通过对有机半导体光电性质的剪裁能够制备新型有机电子器件,这为有机电子的进一步发展提供了新的可能。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201702427)上。