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加光AFM调控有机半导体

       二维材料(2D materials)因其独特的电学特性,在光电子学、半导体技术等纳米科学领域一直是热门的研究点。特别是六方氮化硼(hexagonal boron nitride ,hBN)这类的层状二维材料,表现出的量子限域效应、高电子迁移率等奇妙特性,在构建范德华异质结的方面显示了巨大的潜力。这些结构可以通过引入有机分子进行功能化,赋予一些无机材料所无法比拟的新功能和灵活性,进一步拓展其应用前景。

       来自法国和奥地利的研究人员展示了一种利用光来控制hBN上自组装的有机网络的导电性的技术。这一技术不仅为操纵纳米尺度电路开辟了新途径,还将为未来的光电器件设计和发展带来革命性的影响 。

结果与分析:

       在这项研究中,University of Leoben, University of Graz, 以及Aix-Marseille University的科研团队采用了名为二氢四氮七烯(DHTA7)的有机半导体。他们使用自组装技术在绝缘的hBN表面上形成了准一维的DHTA7晶体网络。这种自组装方法允许有机分子在原子级别上精确地排列,形成高度有序的结构,从而为后续的电学性能调控奠定了基础(图1)

图1 :一维DHTA7晶体网络在hBN衬底上自组装的过程,通过CAFM可以实时表征样品表面形貌,以及不同加光状态下同一位置的导电特性

图1 :一维DHTA7晶体网络在hBN衬底上自组装的过程,通过CAFM可以实时表征样品表面形貌,以及不同加光状态下同一位置的导电特性。

       结合计算机建模与原子力显微镜纳米电学表征(AFM nanoelectrical imaging),研究小组揭示了一个惊人的现象:当系统被外部光源照射时,其电导率可以提高100倍以上,使得电荷能够在结构中自由传播。更引人注目的是,由于纳米针的光学各向异性,研究人员通过调整光的偏振角,能够控制电荷的传播方向。这意味着他们可以像使用“光门”一样“开启”或“关闭”电荷的传播,并且还能精确引导它们的路径(图2)

图2 :在同一覆盖了DHTA7晶体网络的hBN衬底上,划分为加压区域(-5V)和不加压区域(0V),并调整光的偏振方向,通过表征EFM通道信号证明了用光实现电荷的导通与关闭。

图2 :在同一覆盖了DHTA7晶体网络的hBN衬底上,划分为加压区域(-5V)和不加压区域(0V),并调整光的偏振方向,通过表征EFM通道信号证明了用光实现电荷的导通与关闭。

       这项研究成果提出了一种全新的概念——利用“光门”来控制有机纳米结构中的电导率。这种方法不仅为操控二维材料的电学性能提供了强有力的新工具,也为未来基于光控的纳米电子设备的开发铺平了道路。

       总之,这项研究不仅丰富了我们对二维材料和有机半导体交互作用的理解,而且展现了将光作为调控手段在纳米尺度上操纵物质性质的无限可能性。随着科技的不断进步,我们期待这类研究能够推动电子和光电子领域的发展,为创造新型高效能、低成本的光电器件提供理论基础和实验指导。

仪器使用与细节:  

       所有的纳米电学实验都在牛津仪器MFP-3D AFM上进行,以静电力显微镜(electrostatic force microscopy (EFM))模式获取材料介电特性和形貌图像。在Asylum Research的AFM上,EFM将以两步法进行。在第一次扫描中,AFM会以轻敲的方式获得高度形貌图。在第二次“低空飞行”的扫描过程中,扫描器会根据从形貌图收集的高度数据将探针抬高至用户自定义的固定高度重新扫描,追踪针尖和样品长程静电力的梯度。保持恒定的高度可以最大限度地减少其他相互作用(如范德华力)的影响。所示的EFM图像代表了收激发的悬臂梁在低空扫描时的相位 。

       牛津仪器MFP-3D系列AFM以实惠的价格提供了超预期的性能,不仅有同级最低的噪音水平,并且因其丰富的拓展性,为不同的实验方向提供了可能 。

相关应用领域:储能(Energy Storage ),聚合物( electronics

引用: A. Matković, J. Genser, M. Kratzer et al., 六方氮化硼有机半导体微晶网络中的光辅助电荷传播.高级功能。母校。29、1903816(2019 年)。 https://doi.org/10.1002/adfm.201903816

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