二维有机单晶制备及高性能场效应晶体管研究

Two-dimensional (2D) atomic crystals have attracted tremendous attention since the discovery of graphene. And 2D molecular crystals held by van der Waals forces are growing attention in recent years. 2D molecular crystals by van der Waals epitaxial growth, with simple equipment and low cost, has potential to achieve highly controlled structure and property, large area crystal film and integrated device. Based on 2D atomic crystals and small molecules organic semiconductor system, the content of this project is as follows: 1) A variety of high quality, large area 2D organic single crystals （monolayer and few-layer）will be grown on hexagonal h-BN substrate by van der Waals epitaxial growth. 2) We will study the intrinsic transport property of charge carriers of 2D molecular crystals （monolayer and few-layer）and then uncover how the molecular structure regulate and control charge transport and contact resistance. We hope the transistor mobility could reach up to 30cm2/Vs by optimizing the fabrication process. Our research results will open a new paradigm for organic semiconductor materials.

自石墨烯发现以来,二维原子晶体得到迅猛的发展，近年来以弱范德华力相结合的二维有机分子晶体也日益受到关注。其中，通过范德华外延法制备二维有机分子晶体,具备设备简单、制备成本低等特点，有望实现结构与性质的高度可控、大面积晶体薄膜及器件集成。本项目基于二维原子晶体及有机小分子半导体材料体系，1) 在二维原子晶体上利用范德华外延法制备多种高质量、大面积二维有机单晶(单层和少层分子)；2)研究二维有机分子单晶(单层和少层分子)中载流子电荷的本征输运特性，通过工艺优化以期载流子迁移率提高到30cm2/Vs 以上，研究分子构型对电荷输运以及接触电阻等性质的调控规律。本项目将对有机材料本征输运的研究提供了新的科学与技术基础。

本项目对超薄有机半导体薄膜的制备与器件开展了系统的研究，实现了利用气相范德华外延技术制备出层数高度可控的二维有机半导体单晶薄膜，提供了一种普适的二维有机半导体单晶薄膜气相外延技术。发展了无损化电极制备技术，制备出具有欧姆接触特性的单层有机单晶场效应晶体管，接触电阻降低到当时报道的最低值，器件开关比达到107、室温迁移率超过30 cm2/Vs、饱和电压降低到0.5V左右、且载流子呈现金属性传导，为精确研究有机分子堆积对电荷传输和接触特性的影响提供了一个新的途径，也为研究有机器件物理和实现高性能有机薄膜晶体管提供了一个理想的平台和思路。制备有机无机杂化异质结，利用C8-BTBT有机半导体薄膜无损化钝化少层黑磷，首次同时实现了黑磷器件的高电流密度（920 uA/um）、高开光比（104~107）、高饱和速度（1.26 x 107cm2/Vs）和稳定性（电流值能保持11天未衰减），该方法可用于其它不稳定的材料的钝化，即保持材料的本征特性，又高效、经济，为研究异质界面电荷/能量转移的内在特性提供了一种新的思路。