天津大学李荣金课题组：二维分子晶体做表面掺杂剂实现有机半导体电学性能的高效和可控调控

天津大学李荣金研究员等利用二维分子晶体做表面掺杂剂，基于一维/二维复合单晶显著提高了有机场效应晶体管迁移率并降低阈值电压。

有机场效应晶体管（OFET）是未来柔性电子器件的关键组成部分。掺杂是提高OFET性能的重要手段。有机半导体主要有两种掺杂策略。第一种是体相掺杂，它采用共蒸、旋涂等方式将掺杂剂与主体材料均匀混合。然而，体相掺杂相当于向主体材料中引入结构和能级缺陷，通常会降低有机半导体的迁移率。另一种策略是表面掺杂，它将掺杂剂引入有机半导体的表面。与体相掺杂相比，表面掺杂可避免在主体材料中引入结构和能级缺陷，理论上更容易得到高性能器件。到目前为止，各种结构的掺杂剂已被应用于表面掺杂。然而，大多数掺杂剂是多晶薄膜，其厚度没有严格控制，对有机半导体性能的调控不够令人满意。二维分子晶体（two-dimensional molecular crystals, 2DMCs）是二维原子晶体的有机对应物，指单分子层或数个分子层的有机分子通过分子间弱相互作用周期排列形成的二维固态薄膜。二维分子晶体超薄、有序及厚度可精确调控的特点，表明他们可能是一类优异的掺杂剂。最近，天津大学李荣金研究员等利用二维分子晶体高效、可控的表面掺杂作用（图1），基于一维/二维复合单晶实现了有机场效应晶体管迁移率的显著提高以及阈值电压的有效降低。二维分子晶体超薄柔韧的特性保证了其可通过范德华力与主体材料表面紧密结合，实现高效掺杂。更重要的是，分子级可控厚度的二维分子晶体实现了对主体材料的精确掺杂。图1 二维分子晶体做表面掺杂剂实现有机半导体电学性能的高效和可控调控

以TIPS-pentacene一维单晶微米线为例，研究发现掺杂可使其平均迁移率从1.31 cm² V^-1 s^-1显著提高到4.71 cm² V^-1 s^-1，阈值电压从-18.5 V大幅降低到-1.8 V。最大迁移率达5.63 cm² V^-1 s^-1，高于绝大多数报道的TIPS-pentacene的迁移率。二维分子晶体表面掺杂的另一个优势是可以获得高的开关比（~10⁸）。尽管这种表面掺杂的机理有待进一步探索，二维分子晶体作为一类新型掺杂剂，有望实现有机半导体电学性能的高效、可控调节。论文第一作者为天津大学张钰、杨书院和朱晓婷，通讯作者为李荣金研究员。 

Citation：Zhang Y, Yang S, Zhu X, Zhai F, Feng Y, Feng W, Zhang X, Li R, Hu W. Highly efficient modulation of the electronic properties of organic semiconductors by surface doping with 2D molecular crystals. Sci China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9765-8.

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通讯作者简介

李荣金，天津大学理学院研究员，博导。2009年在中科院化学所取得博士学位，师从胡文平研究员。曾先后在中科院上海有机所和德国马普高分子研究所从事博士后研究。2015年起任天津大学研究员。主要从事二维分子晶体的可控制备及光电磁性能研究。在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文50余篇，引用3600余次，H因子25。