[发明专利]一种基于有机二维分子晶体的p-n异质结及其制备方法和在半波整流电路中的应用

说明书

本发明公开了一种基于有机二维分子晶体的p‑n异质结，采用机械转移法制备得到了p型有机半导体二维分子晶体在下、n型有机半导体二维分子晶体在上的垂直堆叠的p‑n异质结，实现了栅可控的整流行为；并利用简单的整流电路，实现了有机二维分子晶体p‑n异质结在半波整流电路中的应用。本发明通过机械转移二维分子晶体的方法就可以将二维有机分子晶体转移到任意衬底上，并且材料之间的选择不受转移方法的限制，有助于构建不同结构的有机异质结。

技术领域

本发明属于二维有机单晶异质结技术领域，具体来说涉及二维有机单晶异质结的制备及其在整流电路中的应用。

背景技术

p-n半导体异质结结构是许多重要器件中使用的基本构件，包括二极管、双极晶体管、光电二极管、发光二极管和太阳能电池等。其中，p-n结二极管是现代电子学中最普遍和最基本的组成部分，在集成电路、探测器、光电和激光等领域具有广泛的应用。基于p-n结的二极管具有单向导通性，这种整流特性在整流电路和开关电路中具有重要的应用价值。而在传统的p-n均质结中，p型和n型区域是通过化学掺杂形成块体异质结的，掺杂水平主要通过杂质的扩散或注入来控制，这意味着在器件制造完成后对掺杂的控制微乎其微。一方面，构成块体异质结的薄膜很厚，通过外加电压来对其进行静电掺杂很困难，性能不易调控；另一方面，薄膜不是单晶，限制了器件的性能，并且通过掺杂实现的异质结界面不清晰，不平整。综上，基于块体异质结制备的p-n二极管，其整流特性不易调控而且整流比比较低。

相反，二维范德华单晶p-n异质结，两者依靠范德华相互作用结合在一起，避免了材料之间晶格不匹配的问题。二维薄膜的超薄特性，使得垂直方向上的能带结构的电调制成为可能，有助于实现光电性能的调控。并且，该结构具有原子级平整且尖锐表面，并且具有单晶属性。因此，这种二维范德华单晶p-n结结构，有利于获得可调控的整流行为，并且有望获得更高的整流比，为实现新型二维电子和光电器件开辟了新的途径。

低维材料在电子电路中的成功集成为产生栅极可调p-n结开辟了道路。但是目前基于二维范德华p-n异质结二极管的报道大部分都是基于无机-无机材料或无机-有机材料相结合而制备的，例如：Mark C.Hersam等人制备了基于碳纳米管和MoS₂的栅压可调的p-n结二极管，这两个材料的超薄特性意味着这两种成分都可以通过电容耦合栅偏压进行调制，从而使电荷从近乎绝缘的状态转移到具有正向偏置电流和反向偏置电流的高度整流状态的广泛可调性，整流比最高达到10⁴；同时，基于多壁碳纳米管和MoS₂的p-n结二极管制备了半波整流电路，由于这种超薄p-n结二极管的整流可以通过栅压调控，所以利用该结构制备的半波整流电路，其滤波幅度可以通过改变栅压进行调控，为其在单相半波整流电路中的应用奠定了基础。还有利用二维无机材料和有机材料杂化来制备p-n结结构实现栅可控整流的行为，例如Luis E.Hueso课题组，他们利用p型有机半导体酞菁桐(CuPc)和n型无机二维材料MoS₂制备了p-n结二极管，可以观察到对异质结构的有效的栅调控，这与薄的MoS₂薄片(单层或双层)的使用直接相关，它允许栅极产生的电场延伸到CuPc层，栅压的改变对两个材料的掺杂和能带结构都产生了影响，所以对其整流行为有了明显的调控；同样的，他们利用该结构制备了整流电路，实现了单相半波整流电路的应用。南洋理工大学刘政教授课题组，在2015 年也同样报道了一篇文章，他们利用有机红荧烯单晶和二维无机材料MoS₂制备了范德华异质结二极管，该二极管具有明显的整流特性，整流比的栅极调制归因于背栅对MoS₂和红荧烯的能带取向的调制以及薄层电阻调制，整流比可在10²至10⁵之间进行调制。