晶态有机固溶体半导体的光电性质

The effective tuning of optoelectronic properties is always the pursing aims in the field of device physics. Solid-solution semiconductors are the alloys composed of two or more semiconductors, also called as mixed crystals. Their unique advantages are continuous change of semiconductor parameters with their ratios. Therefore, utilizing the dependence of component ratios, semiconductor properties can be tailored to meet the various requirements in optoelectronic devices. Organic semiconductor molecules form crystalline films through the weak interaction of Van der Waals' force, consequently, it is entirely possible to achieve the goal of dissolution for different organic molecules, and obtain organic solid-solution semiconductors. This project will fabricate crystalline organic solid-solution films with high quality and low traps by using disk-like and rod-like molecules and employing the method of organic weak epitaxy growth, and unravel the evolutions of semiconductor parameters with component ratios, further realize the effective tuning of optoelectronic properties for organic semiconductor materials. Additionally, utilizing the change on energy-band structures, optical absorption, conductivity and mobility, we also will explore their applications in organic optoelectronic devices including organic photovoltaic cells, organic transistors and organic photodetectors.

对半导体光电性能的有效调控是半导体物理领域追求的目标。而固溶体半导体是采用两种或两种以上的半导体材料组成的合金，也称做混晶，它的独特优点是半导体参数随组份比的变化而发生连续变化。因此可以利用这种组分依赖性，通过控制组分比实现对半导体特性的“剪裁”，满足不同光电器件的需要。有机半导体分子间通常以较弱的范德华力相互作用形成晶体薄膜，这使不同有机半导体分子之间互溶成为可能，从而能够实现有机半导体固溶体的制备。本项目拟采用盘状和棒状两类有机分子、用有机弱外延生长的方法制备高质量低缺陷的晶态有机固溶体薄膜，并揭示它们的半导体特性随组分比的变化规律，实现对有机半导体材料光电性能的有效调控。另外，本项目也将利用有机固溶体半导体材料在能带结构、光学吸收、电导率和迁移率上的变化，探索其在有机光伏电池、有机晶体管和有机光电探测器等光电器件中的应用。

在无机半导体的器件应用领域，特别是在光电子学应用领域，固溶体半导体对于优化器件特性起着十分重要的作用。固溶体的独特优点是，半导体的重要参数，如晶格常数、禁带宽度和光吸收等性质随组份比的变化而发生连续变化。因此，可以通过对其组分的控制来实现对材料能带结构的“剪裁”。有机半导体分子间通常以范德华力相互作用形成晶体薄膜，该作用力较弱且不同有机半导体分子之间皆为该作用力，这使不同有机半导体分子之间有可能互溶，堆砌排列形成均匀一致的晶体薄膜，即有机固溶体半导体。目前，有机电子学在这方面的研究非常少，仍然处于初始探索阶段。我们借鉴无机半导体固溶体的思想，选取结构和形状相似的小分子材料，采用真空共蒸镀法制备了三个体系的无限有机固溶体薄膜，分别是α-6T:BP2T、α-6T:p-6P和BP2T:p-6P。我们通过制备不同厚度和不同混合比例的固溶体薄膜，来表征它们的形貌、晶格结构、带隙和场效应晶体管性能的变化。通过形貌的一致性判断它们之间形成了固溶体薄膜，通过晶格结构和带隙的连续变化说明了有机固溶体半导体的特征，这也说明了有机固溶体的物理特征能够通过组份比例而进行调控。为了验证是否只有形状和结构相似的两种分子才能形成固溶体，我们选取了分子形状和结构完全不同的p-6P和PTCDI-C13两个有机小分子来制备固溶体薄膜，表征结果说明它们之间仅能够在PTCDI-C13组份比例较低时形成有限固溶体薄膜。总而言之，本项目工作成功制备了有机无限固溶体半导体薄膜和有限固溶体半导体薄膜，说明了有机小分子半导体之间能够形成有机固溶体半导体，并且能够通过改变组份比例来连续调控有机固溶体半导体材料的物理特性，这为制备新型有机光电器件和进一步优化调控有机光电器件性能提供了新的可能。