江浪、易院平、王帅Nat. Commun.:亚5nm单晶有机p-n异质结
半导体p–n异质结是各种光电器件的重要组成部分，也是研究器件物理的重要平台，尽管到目前为止，大多数p–n异质结都基于无机半导体。以有机光伏（OPV）器件为例，在p–n异质结界面处发生了一些关键的物理过程，例如激子解离，这些物理过程基本上控制着OPV的效率。但是，有关这些过程的基本物理机制仍在争论中。这是因为在OPV中，激子扩散长度通常约为5–20 nm，而p–n结的厚度通常高于该长度。因此，激子扩散范围之外的半导体层为探索其下面的激子相关工艺带来了挑战。另一方面，当PN结的厚度减小到分子水平时，由光子吸收产生的激子将以低损耗直接存在于PN结的界面，然后可能完全分解成自由空穴和电子。通过实验验证，当微相畴的尺寸减小时，可以获得更高的器件性能，并且优化的微相畴的尺寸可能会因所使用的材料而异。然而，体异质结不可避免地包括结构紊乱和具有界面缺陷的复杂的互穿晶界，这为阐明OPV研究中的激子物理特性带来了困难。因此，在单分子层厚度极限处获得原子定义明确的界面而获得高度有序的晶体p–n异质结，是研究激子物理的一种有效策略，不受激子扩散长度的限制，也是一种揭示激子基本机理的有效方法。由单层分子晶体（MMC）组成的有机p–n结结合了MMC和晶体异质结的优点，它们不仅在分子晶体中具有固有的高效载流子传输能力，而且具有原子清晰的结界面的双层厚度，提供了完美的结合解决上述挑战。但是，这种薄的单晶PN异质结的直接生长仍然是一个巨大的挑战，这极大地限制了它们在有机光电器件中的应用。
【成果简介】
新兴的高性能有机光伏器件的基础是块状异质结，通常包含结构紊乱和具有界面缺陷的双连续互穿晶界。了解有机异质结的性质非常需要具有良好定义的界面和量身定制的层厚度的高度有序的晶体有机p–n异质结。然而，这种晶体有机PN异质结的直接生长仍然是一个巨大的挑战。中科院江浪、易院平&华中科技大学王帅报道了一种基于p–n异质结制造单层分子晶体的设计原理。在有机场效应晶体管中，实现了与单组分单层分子晶体器件相当的平衡双极性电荷传输，证明了异质结中的高质量界面。在基于p–n结的有机太阳能电池器件中，该器件展现出高达1.04 V的栅极可调开路电压，这在有机单晶光伏电池中是创纪录的高值。该成果以题为“Sub-5 nm single crystalline organic p-n heterojunctions”发表在Nat. Commun.上。
