Nano Letters：利用范德华相互作用实现超薄有机半导体及异质结的精确可控外延

异质结被广泛地应用在当今的半导体器件中。分子束外延（MBE）技术是制备有机半导体的常用方法。MBE要求有机材料和生长衬底的晶格匹配和超高真空（UHV）的条件。此外，由于有机半导体层间是以较弱的范德华力结合，这些限制条件使得有机半导体的制备具有极大的挑战。目前，自组装单层（SAM）技术已经实现了单层有机薄膜在块状衬底上的生长，但是对用于先进器件的层-层异质结的制备仍具有很大的挑战性。

近日，南京大学王欣然等人通过利用自限制分子束外延（SLOMBE）技术实现了超薄有机半导体层与层间的可控外延生长，制备出的异质结具有前所未有的精度，可以精确控制层数和自限制特征。并且验证了有机p-n结具有分子级的平整界面，具有出色的整流特性和光伏响应。这项技术有望被广泛应用于制备有机半导体的层-层异质结，促进有机半导体在先进光电器件的应用。

【图文解读】

图1 C8-BTBT的SLOMBE。（a）上图是管式炉生长的示意图，下图是炉内温度随相对中心位置的变化曲线，根据温度变化，将管式炉分为三个区域，三个区域具有不同的生长行为；（b）蓝色点：数值计算出的单个C8-BTBT分子和不同层数的C8-BTBT在石墨烯上的结合能，红色虚线：C8-BTBT和C8-BTBT结合所需要的临界值，插图是C8-BTBT的分子结构和不同C8-BTBT层在石墨烯上的分子结合形状。（c-e）C8-BTBT在管式炉三个区域生长得到的样品的AFM图像。

图2 石墨烯上的C8-BTBT晶体的表征。（a）左图为生长前石墨烯的AFM图像，右图是在石墨烯上利用SLOMBE生长单层C8-BTBT晶体的AFM图像，尺度条：2µm；（b）a图样品的拉曼光谱，可以清晰地看出石墨烯和C8-BTBT的信号峰，插图是C8-BTBT的拉曼光谱。尺度条：2µm；（C）左图为生长前石墨烯的AFM图像，右图为石墨烯上生长两层C8-BTBT晶体的AFM图像，右边的插图是2.3nm×2.3nm样品的高分辨AFM图像，从中可以看出被预测的分子结合方式，尺度条：2µm；（d）c图样品的极化吸收显微镜图像，这两张照片相对旋转了90度角，尺度条：2µm；（e）石墨烯（上图）和ILC8-BTBT（下图）上吸附一个C8-BTBT分子的MD模拟，向上速度为0.95nm/ps；（f）IL（上图）和1L（下图）C8-BTBT上吸附一个C8-BTBT分子的MD模拟，向上速度为0.65nm/ps。

图3 C8-BTBT层的反向生长。（a-d）同一个C8-BTBT/石墨烯样品在逐渐增加退火温度下的AFM图像，尺度条：2µm；（e）反向生长过程的MD模拟，衬底温度在前两步为700K，第三步为800K。

图4 PTCDA和异质结的SLOMBE。（a-c）一个石墨烯样品在生长前（a），利用SLOMBE生长了单层PTCDA（b）和在PTCDA上生长了两层C8-BTBT（c）后的光学显微镜图像；b和c中的插图为对应结构的效果示意图；（d-f）a-c三个图对应样品的AFM图像，尺度条：5µm；（g）b图样品的拉曼光谱，清晰地展示了PTCDA的拉曼特征谱，插图为PTCDA的分子结构；（h）在PTCDA上生长C8-BTBT前后的光致发光（PL）光谱，插图为异质结的能带图和电子迁移过程；（j）PTCDA上生长少层C8-BTBT的（开尔文探针力显微镜）KPFM图像，尺度条：200nm；（k）相对表面势随C8-BTBT厚度变化值，红色线为突变结模型中的二次函数拟合曲线。

图5 PTCDA/C8-BTBT p-n异质结的光电器件。（a）器件的示意布局图；（b）在反向偏压（左图）和正向偏压（右图）下器件的能带图；（c）在线性（黑色）和对数（蓝色）视角下p-n结的输出特征，红色线为标准二极管模型的拟合曲线；（d）在黑暗环境（黑色）和0.67µW激光照射（红色）下p-n结的输出特征。

【作者简介】

王欣然，南京大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。2004年本科毕业于南京大学物理系，2010年获得斯坦福大学物理学博士学位。2010-2011年先后在美国斯坦福大学和伊利诺伊大学香槟分校做博士后研究员。2011年入选首批“青年千人计划”，2013年获得国家杰出青年基金，2014年入选长江学者特聘教授。王欣然教授的主要研究方向为二维层状材料的合成、性质、信息器件及柔性电子学。已经在Science，Nature，Nature子刊等顶级学术期刊发表10余篇学术论文，总引用次数超过12000次。目前担任Scientific Reports、半导体学报等期刊编委，2014年担任江苏省第五届青年科学家年会执委会主席。近年来获得的奖项包括：2008年获得国家优秀自费留学生奖学金，2010年获得美国材料学会“优秀博士生银奖”，2014年获得“江苏青年五四奖章”以及“中国侨界贡献奖（创新人才）”，2016年获得“中国青年五四奖章” 。

课题组网页：http://ese.nju.edu.cn/wang_lab/index.html

【备注】

该研究成果近期发表在Nano letter (IF:13.592) 上，文献链接：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）

本文由材料人科普团队学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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