人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学电子科学与工程学院、固体微结构物理国家重点实验室的王欣然、施毅教授团队在二维有机半导体精确可控外延生长、输运性质调控和电子器件研究中取得突破性进展，相关研究成果以“Probing Carrier Transport and Structure-Property Relationship of Highly Ordered Organic Semiconductors at the Two-Dimensional Limit”为题，2016年1月5日在线发表于物理学科国际权威期刊《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 116，016602），被选为“编辑推荐论文”。美国物理学会《物理》杂志以“Precise Layering of Organic Semiconductors” 发表“观点(Viewpoint)”文章进行了专题报道。该项工作由南京大学，中国人民大学，香港中文大学，中科大等单位合作完成，我校电子学院2014级博士研究生张宇涵完成主要实验工作，人民大学季威教授课题组进行了理论模拟与计算工作，香港中文大学的许建斌教授（我校长江讲座教授）给予了理论指导，物理学院的肖敏教授与现代工学院王鹏教授课题组分别进行了光学与结构表征。王欣然，施毅，季威与许建斌教授为论文共同通讯作者。
微电子器件是当代信息社会的基础。在过去50多年中，晶体管尺寸根据摩尔定律的预测不断减小，正逐渐逼近其物理极限，并由此产生诸多挑战。二维层状材料在构筑电子器件时具有超薄沟道、高迁移率等特点，是最有希望在微纳电子和光电子领域带来新变革的材料之一。目前，二维层状材料的研究主要集中在石墨烯、过渡金属硫族化合物、类石墨烯等无机原子晶体。另一方面，有机二维半导体兼顾了有机材料多样化、高柔性等特点，正得到人们越来越多的关注。有机晶体管的电荷传输过程通常发生在界面附近的几个分子层内。因此，精确制备少层有机晶体材料是在分子尺度上理解和调控电荷输运性质的基础，对于有机电子学具有重要的意义。
合作团队深入地研究了并五苯分子在六方氮化硼衬底上的范德华外延生长机理，实现了高质量、层数可控的1-3层并五苯外延薄膜。在其厚度接近二维极限时，薄膜仍展现出在有机单晶材料中才具有的各向异性、高迁移率、能带型输运等本征特性。研究团队还发现，层内和层间分子间相互作用存在竞争关系，导致不同层的分子排列结构存在差别。这些结构差异使得并五苯外延薄膜在1至3层中发生了绝缘－跃迁输运－能带输运的一系列相变过程，这是首次直接观测到电荷传输层分子堆积结构与电子输运性质之间的內禀关联。此外，利用并五苯外延薄膜制备的场效应晶体管，其性能与有机单晶场效应晶体管媲美。合作团队开发的范德华外延技术还有望应用于异质结和超晶格等更为复杂的有机半导体结构和器件，将进一步推动有机电子学的发展。尽管这些结构已经在无机半导体器件中已有着广泛的应用，但其在有机半导体中还尚未实现。
该项工作是王欣然、施毅教授团队近年来在二维有机半导体材料和器件方向的系列工作的重要成果。团队相关前期成果分别发表在《自然•通讯》（Nature. Communications. 5, 5162 (2014)）, 《应用物理通讯》（APL 107, 183103 (2015) ）等期刊。研究得到科技部973计划，国家杰出青年基金，国家自然科学基金，江苏省双创等项目的资助。
图片来源：APS/Alan Stonebraker