[发明专利]在衬底表面外延生长超薄有机晶体层的方法及其应用

说明书

在衬底的晶体表面生长二维有机半导体晶体层的方法，将衬底和有机半导体源放在真空腔体中，源和衬底保持一定的间距；在源和衬底上施加温度梯度，源的温度设定为有机半导体材料刚开始蒸发时或升华时的温度，其中源温度高于衬底温度；将有机半导体材料分子在设定的源温度下蒸发或升华，并生长在衬底的晶体表面；控制生长时间，压强及沉积温度，那么就可以在衬底上沉积所需目标厚度和形态的晶体层；外延的超薄的有机半导体晶体层总共有几个分子层甚至单分子的厚度。进一步地，阐明了这种方法制备的层状结构及使用其制备逻辑门。

技术领域

本发明是一种涉及生长二维(2D)层状异质结的方法，具体是一种在石墨烯与六角形氮化硼(hBN)表面外延生长超薄有机半导体晶体层的方法,以及其在有机薄膜晶体管(OFETs)电子器件制备中的应用。

背景技术

二维层状有机晶体材料是电子与光电子学应用领域很有前途的材料。与体材料相比，单层晶体可以有效降低层间屏蔽，因此可以为直接研究晶界及界面对电荷传输的影响提供理想的系统，且载流子注入与调制变得更高效，可以极大的提高OFETs的性能。

OFETs是发光二极管(LED)显示器，塑料无线射频识别(RFID)及传感器等柔性，低成本，便携式电子应用驱动电路的重要组成部分。目前通用的OFET结构是类似普通 CMOS的平面器件结构，其包含源/漏，以及栅电极。由于分子间的电荷跃迁，OFETs 通常具有低于～20cm²/(V.s)的载流子迁移率，这远小于晶体硅的数值^[1,2]。因此，OFETs 目前只用于对性能要求不高的电路中。此外，为了降低OFETs器件制备中的材料消耗，亟需使用几个分子层厚度的超薄的分子层作为器件沟道。但是，普通的(不超过3个单层)的超薄沟道平面OFETs具有低于0.1cm²/(V.s)的低迁移率^[3]，因此科学家进行了大量的研究来解决这个问题。

石墨烯是由单个或超过单个原子层厚度的六角形碳组成，其是具有很多诱人特性的纯二维层状材料，其是一种零带隙的半金属。在电中性点，态密度为0，因此其费米能级可由载流子密度调控，这与普通金属相比，大不相同。石墨烯是透明的，对可见光的吸收率是～2.3％，其不仅是一种柔性的材料，还是最强的材料之一。这些特性使其在柔性及透明器件的应用中具有光明的前景^[4]。

因为石墨烯的载流子迁移率高达～2x10⁵cm²/(V.s)远高于硅，所以在晶体管中使用石墨烯已经被广泛研究了。但是，石墨烯无带隙的特性抑制了石墨烯基晶体管的开关比。尽管研究人员通过制备小于10nm宽度的一维纳米带打开了带隙，但是其迁移率由于边界粗糙出现了大幅度下降的现象^[5,6]。为解决上述问题，石墨烯与其他半导体组成的层状异质结已经被应用到制备高开关比的石墨烯基晶体管^[7,9]。对于这些异质结，研究者总是渴望发明低成本，大规模生产的工艺或器件结构，来制备高性能的(高电流和高开关比) 透明晶体管。

制备石墨烯基晶体管的一种方法是结合石墨烯和其他的二维层状材料诸如氮化硼和硫化钼。这些器件通常是通过繁琐的逐层转移层状材料制备而成^[7,9]。首先，将石墨烯剥离，然后转移到Si/SiO₂衬底上作为底电极。接着将氮化硼或硫化钼剥离到另外的的衬底上，并在显微镜下转移到石墨烯电极上，最终形成异质结。因为不同时间剥离的层状材料条带不同，所以在器件制备的过程中需要进行多次的电子束曝光。尽管上述结构能够解决石墨烯基器件中的开关比问题，但其不能按比例增加，进行大规模的生产应用。

另外一种方法是蒸发厚有机体材料诸如并五苯，在石墨烯上生长并五苯已经被两个课题组报道了^[12,13]，但上述方法还是有几个缺点的。第一，有机材料的生长是不可控的而且形成的晶体质量较差，这种工艺在有机薄膜上形成了很多的晶界。第二，有机晶体的厚度非常大(正常几百纳米)，导致制备的器件不透明而且不适用于LED显示器。