本文由东北石油大学的Zhao Yang、Wang Huan、Ge Mingmei、Yang Meiyu和Chen Xi等人共同完成，并于2024年12月10日提交至《CrystEngComm》期刊。该研究属于材料科学与化学领域，旨在通过构建异质结构有机晶体来提升有机场效应晶体管（OFETs）的性能。

研究背景

有机半导体晶体因其高度有序的分子排列、高载流子迁移率、高热稳定性和低缺陷密度等优势，被认为是构建高性能OFETs的理想材料。然而，OFETs的性能常受到介电层与晶体表面界面缺陷的影响，这些缺陷会捕获载流子，导致器件性能下降。尽管通过自组装单层或聚合物薄膜修饰介电层表面可以有效减少界面缺陷的影响，但有机晶体本身的表面缺陷仍然难以避免。因此，如何减少界面缺陷对载流子传输的影响，成为当前研究的关键问题之一。

本研究提出了一种新颖的策略，通过在目标有机单晶上生长具有能级阻挡效应的晶体层，构建异质结构，以减少界面缺陷对载流子传输的影响。具体而言，研究选择了四苯并苯（Tetracene, TC）作为目标晶体，并通过物理气相传输（Physical Vapor Transport, PVT）方法在其表面生长二苯乙烯苯（Distyrylbenzene, DSB）晶体层，形成DSB/TC异质结构晶体。

研究方法与流程

研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 材料准备与晶体生长：
   TC和DSB分别通过升华和文献方法进行纯化。TC单晶通过PVT方法生长，生长温度为200°C，氩气流速为40 mL/min，生长时间为24小时。随后，将DSB粉末置于生长管中，温度升至220°C，继续生长24小时，最终得到DSB/TC异质结构晶体。

2. 晶体表征：
   通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和循环伏安法（CV）等手段对晶体结构、光学性质和能级结构进行表征。XRD结果显示，DSB/TC晶体中同时存在TC和DSB的衍射峰，表明DSB晶体层成功生长在TC晶体表面。AFM图像进一步证实了DSB分子在TC晶体表面的外延生长。

3. OFETs的制备与测试：
   基于TC单晶和DSB/TC晶体，制备了顶接触OFETs。采用对称的金和钙电极分别注入空穴和电子。通过半导体参数分析仪（HP4155C）测量了OFETs的输出特性和转移特性，并从中提取了载流子迁移率。

研究结果

1. 晶体结构与光学性质：
   XRD和AFM结果表明，DSB/TC晶体中DSB分子成功外延生长在TC晶体表面，形成了连续的晶体层。光学性质测试显示，DSB/TC晶体表面存在“亮”和“暗”区域，亮区域的荧光强度显著高于暗区域，表明DSB与TC之间存在能量转移。

2. 能级结构：
   CV测试结果显示，DSB的HOMO（最高占据分子轨道）能级低于TC，而LUMO（最低未占据分子轨道）能级高于TC。这种能级结构使得DSB晶体层能够阻挡载流子从TC向DSB的转移，从而将载流子传输通道保持在TC晶体内部，远离介电层表面，减少了界面缺陷对载流子的捕获。

3. 电学性能：
   DSB/TC晶体在OFETs中的空穴和电子迁移率分别达到1.202 cm²/Vs和0.070 cm²/Vs，相较于TC单晶分别提升了约2.0倍和9.7倍。这一结果表明，DSB晶体层的能级阻挡效应有效提升了载流子迁移率。

结论

本研究通过PVT方法成功制备了DSB/TC异质结构晶体，并通过构建OFETs验证了其载流子传输性能的提升。DSB晶体层的能级阻挡效应使得载流子传输通道远离介电层表面，减少了界面缺陷对载流子的捕获，从而显著提升了OFETs的性能。这一研究为设计和开发高性能光电有机晶体提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 新颖的异质结构设计：通过PVT方法在TC单晶表面生长DSB晶体层，构建了具有能级阻挡效应的异质结构晶体。
2. 显著的性能提升：DSB/TC晶体的载流子迁移率相较于TC单晶显著提升，空穴和电子迁移率分别提升了2.0倍和9.7倍。
3. 广泛的应用前景：该研究为高性能OFETs的开发提供了新的策略，具有潜在的应用价值。

资助与支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（22278068）、中国博士后科学基金（2021M693793）、教育部“春晖计划”合作研究项目（202201916）、黑龙江省自然科学基金（LH2022E013）等项目的资助。