Nat. Commun.：n型单层分子晶体的自下而上生长应用于光电器件

【引言】

在20世纪70年代提出的单层功能分子在电介质表面上的自组装是用于开发的分子器件的有前景的方法。半自发共轭分子的自组装单层表现出低的迁移率，并且自组装单层分子晶体难以按比例放大并仅限于在由羟基封端的基板上生长，这使得它们难以具有复杂的器件功能，特别是对于依赖于n型电子传输的器件，由于电子遭受严重的电荷俘获在羟基封端的表面上。

【成果简介】

近日，来自天津大学的胡文平（通讯作者）和中科院化学所的Jiang Lang（共同通讯作者）的团队在Nat. Commun.上发表了题为Bottom-up growth of n-type monolayer molecular crystals on polymeric substrate for optoelectronic device applications，该团队采用重力辅助的二维空间限制方法可以在无羟基聚合物表面上生长具有1.24cm²V^-1s^-1的高场效应迁移率和带状传输特性的n型单层分子晶体。他们使用这些单层分子晶体来实现高性能晶体、栅极/光可调谐横向有机p-n二极管，实验结果表明该方法可以实现各种更复杂的器件架构，用于器件物理学的基础研究和一系列光电应用。

【图文导读】

图1：CMUT分子结构示意图和MMCs的制备过程

(a): CMUT的分子结构；

(b): 制备MMC的示意图；

(d): 光学显微镜图和处理的SiO₂/Si衬底上的MMC的AFM图。

图2：SiO₂/Si上单层CMUT的结构表征

(a): 单层的GIWAXS模式；

(b-c): 单层HR-AFM图；

(d): 单层晶体结构。

图3：MMC的电气特性

(a-b): BCB/SiO₂衬底上MMC器件的传输和输出曲线；

(c): 场效应迁移率曲线；

(d): BCB/SiO₂上不同长度的MMC FET的电子迁移率和漏极电流；

(e): 在BCB/SiO₂上不同栅极电压下，MMC FET和FET的接触电阻；

(f): MMC在SiO₂（红球）和BCB/SiO₂（蓝三角）上的温度依赖性；

(g-h): 完全优化的本体和单层晶体的能带结构和态密度图。

图4：横向有机p-n二极管的光电特性

(a): 横向有机p-n二极管的示意图；

(b): p-n二极管的荧光映射；

(c): p-n二极管的传输特性；

(d): p-n二极管的栅极偏置电压；

(e): p-n二极管的整流曲线；

(f): p-n二极管在不同栅极电压下的光敏特性。

【小结】

该团队通过重力辅助二维空间限制法在SiO₂/Si和聚合物基底上成功制备了大面积的n型MMC。MMC FET显示出高达1.24 cm²V^-1s^-1的高迁移率，高性能MMC FET为进行电荷传输研究提供了一个很好的平台。基于BCB/SiO₂基板的MMC晶体管在200K以上的温度下表现出带状传输，热活化传输具有低热激活能量，他们实现了基于MMC的高性能栅极/光可调谐横向有机晶体p-n结，在暗条件下和光照条件下，整流比分别为4×10⁵和1.8×10⁶，光敏度高达10⁷，远远高于先前报道的值。同时他们在无陷阱聚合物表面上生长MMC的简便方法有望用于制备MMC分子设计要求的各种材料。

文献链接：Bottom-up growth of n-type monolayer molecular crystals on polymeric substrate for optoelectronic device applications（Nat. Commun.2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05390-3）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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