摘要
关键词
- 二维空穴气（Two-dimensional Hole Gas, 2DHG）
- 有机半导体（Organic Semiconductors）
- 电双层晶体管（Electric Double Layer Transistor, EDLT）
- 单晶薄膜（Single-crystalline Thin Films）
- 金属-绝缘体转变（Metal–Insulator Transition）
- 高迁移率（High Mobility）
研究背景
二维电子气（2DEG）和二维空穴气（2DHG）因其独特的电子态而成为凝聚态物理研究的热点。尽管在传统的半导体异质结构中已经成功实现了高性能的 2DEG，2DHG 的发展仍然受到限制，主要由于空穴的重带质量和较低的迁移率。有机半导体具有分子间弱相互作用和分子自组装能力，其单晶薄膜能够实现无悬挂键的高质量界面。然而，在有机材料中实现二维金属气体一直是一个挑战。本文通过溶液加工和电双层栅极技术，在有机半导体中实现了高质量的二维空穴气，突破了传统晶体材料的限制。
创新点
- 首次在溶液加工的有机半导体中实现了二维空穴气的观测。
- 成功观察到二维系统中的金属-绝缘体转变，表明有机半导体的电子态可调性。
- 采用边缘浇铸方法制备无缺陷的大面积单晶薄膜，为器件集成提供了可能。
- 提供了一种研究低维强关联电子态的新平台。
研究内容
本文通过电双层晶体管（EDLT）技术，研究了溶液加工的有机半导体 C8-DNBDT-NW 中二维空穴气的形成和传输特性。实验利用边缘浇铸技术制备了分子级平整的单晶薄膜（厚度约 1 nm），通过 X 射线衍射验证了晶体质量。电学测量表明，在低温（约 15 K）和高栅极电压条件下，薄膜表现出明显的金属行为，具有正温度系数电阻（\(dR/dT > 0\)）和低片电阻（约 6 kΩ）。Hall 效应测量进一步揭示了空穴气的高迁移率（约 \(25\, \text{cm}^2\,\text{V}^{-1}\,\text{s}^{-1}\)）和高载流子密度（\(5 \times 10^{13}\, \text{cm}^{-2}\)）。研究还表明，通过优化分子侧链长度和界面距离，可实现对二维空穴气形成和特性的进一步调控。
(a, b) C8-DNBDT-NW 的化学结构 (a) 和晶体结构 (b)，未带有烷基侧链。C8-DNBDT-NW 的 c 轴对应载流子的传输方向，其中有效质量 \(m^*\) 沿 c 轴为 \(1.1m_0\)（\(m_0\) 为自由空穴的质量），沿 b 轴为 \(2.07m_0\)。
(c) 连续边铸法的示意图。
(d) 样品 1 的光学显微镜图像，其中通道长度和宽度分别为 250 \(\mu\)m 和 60 \(\mu\)m。
(e) 本研究中 C8-DNBDT-NW 电双层晶体管 (EDLT) 的示意图。S，源极；D，漏极；G，栅极。
(f) 离子液体与 C8-DNBDT-NW 界面的示意图。
(a) 样品 1 在 \(T=260\,\text{K}\) 下的传输特性。\(I_\text{DS}\)，漏电流；\(I_\text{G}\)，栅电流；\(V_\text{DS}\)，漏电压；\(V_\text{G}\)，栅电压。传输特性以 \(V_\text{G}\) 扫描速率为 1.67 mV s\(^{-1}\) 记录。通过积分位移电流提取的表面载流子密度约为 \(1.0 \times 10^{14}\,\text{cm}^{-2}\)，与霍尔效应测量确定的密度一致，因此 \(I_\text{G}\) 中电阻泄漏的贡献可忽略不计。
(b) 在 \(T=180\,\text{K}\) 下，样品 1 在不同 \(V_\text{G}\) 时霍尔电阻 \(R_\text{xy}\) 随外加磁场 \(B\) 的变化曲线。\(R_\text{xy}\) 的误差来源于霍尔电压的不确定性，表示为标准偏差。
(c–e) 表面电导率 \(\sigma_\text{sheet}\) (c)、霍尔载流子密度 \(n_\text{Hall}\) (d) 和霍尔迁移率 \(\mu_\text{Hall}\) (e) 的 \(V_\text{G}\) 依赖性。\(C_\text{i}\) 是每单位面积的 EDL 电容，通过斜率推导。误差条来源于 \(R_\text{xy}\) 的不确定性，并表示为标准偏差。
(a) 在不同 \(V_\text{G}\) 下的表面电阻 \(R_\text{sheet}\) 随温度 \(T\) 的变化曲线。虚线表示量子电阻 \(h/e^2\)。相应的 \(n_\text{Hall}\) 值显示在右侧轴上。
(b) 样品 1 的 \(\sigma_\text{sheet}\) 归一化为导电量子 \(e^2/h\) 后的 \(V_\text{G}\) 依赖性。
(c) C8-DNBDT-NW 价带的能量带分布和积分态密度 (DOS)。价带顶 (\(E_\text{VBE}\)) 位于 \(\Gamma\) 点处。此处，\(\Gamma=(0,0,0)\)，\(X=(0,\pi/b,0)\)，\(Y=(0,0,\pi/c)\) 和 \(C=(0,\pi/b,\pi/c)\)。虚线表示当 \(n_\text{Hall} \approx 4.0 \times 10^{13}\,\text{cm}^{-2}\)（金属–绝缘体转变的临界点）时的费米能级位置。
(a) 在不同 \(n_\text{Hall}\) 下的霍尔迁移率 \(\mu_\text{Hall}\) 的温度 \(T\) 依赖性 (\(T=180\,\text{K}\))。实线表示幂律依赖关系 \(\mu \propto T^{-q}\)，虚线表示热激活过程的阿伦尼乌斯型依赖关系 \(\mu_\text{Hall}(T) \propto \exp(-E_\text{a}/(k_\text{B}T))\)。
(b) 在不同 \(V_\text{G}\) 下霍尔载流子密度 \(n_\text{Hall}=(eR_\text{H})^{-1}\) 的温度 \(T\) 依赖性。不同点的颜色对应 (a) 中的颜色。误差条来源于 \(R_\text{xy}\) 中的导电性，并表示为标准偏差。
结论与展望
本文通过溶液加工技术，在有机半导体中实现了二维空穴气的观测及其金属-绝缘体转变。结果表明，有机材料的低维电子态具有可调性和高性能潜力。这为未来研究二维有机电子系统及其在柔性电子器件中的应用奠定了基础。进一步研究将集中于界面质量的优化和多层二维系统的构建。
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原文标题：Two-dimensional Hole Gas in Organic Semiconductors
原文卷期号：Nature Mater. 2021, 20, 1401–1406
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