二维有机晶体的量子电容效应及相关材料特性与器件物理研究

The research on two-dimensional (2D) atomic crystal materials (such as graphene) and their applications have been thriving for a decade now. In recent years, solution-processed 2D organic crystalline materials, which consist of molecules bonded via weak van der Waals interactions, have attracted increasing attentions. They have promising potentials in the applications of low-operating-voltage and high-integration organic electronic devices. Therefore, the study on the quantum capacitance effect is of great importance for the investigations on the material properties and device physics of 2D organic crystals. In this project, based on our research on 2D organic crystalline materials, our objective is to use the quantum capacitance effect to present precise measurements and characterizations on the electrical properties of 2D organic semiconducting crystals. We will investigate the influences of the quantum capacitance effect on the electrical performance of organic field-effect transistors. Thus, we will study the influences of material microstructures (such as molecular packing and layer number of organic semiconductors, and interfacial defects) on the charge transport in the conducting channel. Finally, the research on the quantum capacitance effect of 2D organic crystalline semiconductors will be extended for the study of ferroelectric polymeric materials under 2D limit; and we will realize novel electronic devices, that is, tunneling junctions using 2D ferroelectric polymers for resistive memory devices. Our research results will be greatly beneficial for the development of 2D materials and organic electronics.

以石墨烯为代表的二维原子晶体材料及应用研究持续发展的同时，近年来通过以分子间弱范德华力结合的二维有机晶体材料日益受到关注，并有望实现低工作电压、高集成度的高性能有机电子器件。因而，二维有机晶体的量子电容效应及相关材料特性及器件物理等问题的研究将尤为关键。本项目拟基于申请人在二维有机晶体研究上的优势，以量子电容效应为切入点，精确测量表征二维有机半导体晶体材料的电学特性；揭示量子电容效应对有机场效应晶体管电学性能的影响及调控作用，从而研究薄膜微结构（分子排列／层数、缺陷／杂质性质与分布等）对载流子输运行为的影响特征，探索二维分子晶体在场效应电子器件下的本征输运特性；进一步拓展到对铁电聚合物薄膜在二维尺度下特性的研究，实现基于二维铁电聚合物的隧穿结电阻型存储器新型电子器件。本项研究将为二维有机材料在高性能器件中的应用以及有机电子学领域的发展提供新的科学与技术基础。

由于在大面积、高性能和超低成本电子产品中的应用潜力，近几年，有机电子器件成为国际科研领域的热点。二维有机晶体以其优越的化学、物理等性质在构建高性能、低功耗和高集成度有机电子器件中有十分大的应用潜力。随着器件尺寸缩小，量子电容在低维半导体材料和器件中是一个非常重要的参数，同时也可作为研究材料特性与器件物理的重要的研究方法。然而，目前在量子电容的指导思想下对二维有机晶体及器件的研究却鲜有报道。因此，聚焦于载流子的分布和输运，将量子电容延伸到二维有机半导体电容来准确研究材料特性及器件物理等方面具有重大的研究价值与科学意义。前期研究在以高介电常数的凝胶薄膜作为栅绝缘层时观测到量子电容限制效应，并精确提取出其栅压依赖性及电子态密度，有助于准确的建立输运理论模型框架。.本项目的主要内容是关于二维有机晶体的量子电容效应及相关材料特性与器件物理研究。1.通过非常规电容的测量精确表征了二维有机半导体晶体材料电学特性：在新型栅控范德堡器件结构下，基于高质量层数可控的二维有机晶体构筑近乎完美的半导体功能层与界面，将量子电容扩展到低维半导体自身电容的表征，首次准确验证了库伦作用对电荷输运特性的影响；通过选用不同介电常数的绝缘层，有效调控载流子和绝缘层之间的 Fröhlich 极化耦合，使得在极化耦合更强的高介电常数界面上，观测载流子多尺度分布及输运，为低维有机半导体中量子电容效应的确证做出巨大贡献。2.系统的研究了二维有机晶体中载流子输运性质的影响因素及调控手段： 通过界面极化耦合及分子原位旋转等手段，在层数可控的二维C8-BTBT薄膜半导体晶体中成功实现了对电荷载流子分布及输运等微观行为的精确调制。3. 基于上述研究成果，利用高质量二维有机晶体，构筑了多种新型光电信息器件，包括光敏神经突触器件、紫外光电探测器、以及铁电晶体管存储器等，利用超薄有机功能薄膜的量子电容效应，实现物性调控与多界面功能耦合，突破了常规物理与性能极限，在多种器件中获得纪录高性能。