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有机/无机异质器件取得新进展:高效二维p-n结

对半导体材料比如Si分别进行p型和n型掺杂,在其界面处会形成p-n结。p-n结具有单向导电性,它为诸多现代电子技术比如如半导体二极管、双极性晶体管和太阳能电池等奠定了坚实的物质基础。传统上,通过化学办法分别向p型和n型半导体掺杂,即可形成连续的同质结。 进一步研究表明,在n型半导体上外延生长p型半导体上可构建性能优异的异质结。然而,对于后者,为保证高质量的p-n结界,两种材料的晶格参数必须匹配。这种材料限制为异质p-n结的广泛应用蒙上阴影。


所幸,近些年在材料领域的飞速发展为我们指明了新的方向。一方面,二维材料的研究如火如荼,通过对一些仅有数个原子层厚度的二维材料进行可编程式堆叠,我们可以自由构建性能可预测的异质结构。鉴于其层间相互作用为“范德华”力,这种人工材料亦被称为“范德华”固体。其异质界面可达到原子级的平整;另一方面,有机半导体材料的发展方兴未艾,新型材料层出不穷。这两个领域的联姻为构建新型异质结构提供了新的思路:超越无机和有机各自之籓篱,取二维无机材料众者之利,择有机材料合成工艺之优,取长补短,得以构建异质器件的广阔天地。此外,这两种材料都具柔性优势,这为其后续应用增加一重新的纬度。


在这种理念的启发下,新加坡南洋理工大学刘政博士课题组开发出基于二维材料的新型有机无机复合p-n结器件。此器件的n型材料为典型的无机二维材料硫化钼,p型材料为机晶体红荧烯(rubrene),两者的最高载流子迁移率都以达40cm2/Vs以上。器件构件如图(左)所示。将机械剥离的硫化钼置于二氧化硅基底,利用光刻蒸镀电极,最后将红荧烯晶体转移至硫化钼上,在硫化钼和红荧烯的覆盖处,形成了完美接触的p-n结。实验结果显示硫化钼红荧烯晶体形成的范德华p-n结表现出了良好的整流作用(图右)。并且由于硫化钼的二维特性,p-n结的整流效应能够通过门电压进行调控,整流系数可以从100调制到105。硫化钼红荧烯p-n也表现出来良好的光学响应,包括较高的光响应率以及较快的响应时间。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials上(10.1002/adfm.201502316)。


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