指定位点的化学掺杂在有机半导体晶体表面的电子分布表征解决方案

几十年以前，发现晶体和薄膜的π共轭的科学家通过化学掺杂（例如导电聚合物）发现分子可以制成高导电性，甚至是金属性。这一发现引发全世界对这些材料的兴趣，并标志着有机电子学领域新的转折点。从此化学掺杂在科学研究和应用中开始发挥核心作用。p型和n型有机半导体薄膜已经广泛用于降低有机发光二极管显示器的工作电压， 但是到目前为止对化学掺杂有机半导体的掺杂协议、机制以及掺杂后的电子特性的研究都不如对传统半导体的研究。

本文作者描述了一种独特的、特定位点的n型掺杂机制，用两种有机半导体的单晶做实验，用特定位点的兴奋剂消除电子陷阱并增加背景电子浓度，使晶体拥有更优异的导电性。掺杂晶体组成的场效应晶体管（FET）的电子传输特性得到显著改善。增强了FET的电特性。表面化学掺杂是专门针对晶体层间边界，即已知的电子陷阱，钝化陷阱并释放流动电子设计的掺杂方法。化学方法掺杂对晶体的电子传输的影响是巨大的，FET中电子迁移率增加了多达10倍，并且其与温度相关的行为从热激活转变为带状。研究结果表明新的位点掺杂有机半导体的策略与传统的随机分布取代的氧化还原化学不同， 这个有趣的结果表明针对特定位点的掺杂可能是一种富有成效的新的有机半导体材料掺杂的策略，拓展了有机半导体材料在电子学方面的应用前景。

本文报告了两项与有机半导体化学掺杂有关的发现。第一项是对特定有机半导体晶体表面的台阶边缘可以选择性地刑场n型掺杂。作者利用两种半导体晶体材料“Cl2-NDI和PDIF-CN2”形成n沟道FET。将Cl2-NDI和 PDIF-CN2培养成板条状晶体，物理厚度范围为 1 至 50 μm，并将晶体层压到镀金涂层上，通过将两种晶体的（001）表面暴露于正硅烷蒸汽形成n型掺杂 （ 图1a），不同厚度的晶体经过掺杂后台阶密度由AFM高分辨图形给出。（图1d）。作者对掺杂前和掺杂后的FET进行了电特性分析。

第二项是掺杂诱导的在台阶边缘的电子分布可以通过扫描开尔文探针显微镜（SKPM）进行可视化 。SKPM图像直观的解释了有机半导体晶体中的化学掺杂引起的电荷分布， 并验证了有机半导体材料系统中的微观掺杂效应。图 2b，2d 中的 SKPM 图像，对应于形貌图2a，2c，电势分布与两个掺杂晶体的每个台阶边缘重合， 正电位条纹和负电位条纹清晰可见。特别每个台阶边缘的正条纹，两侧的是负电位条纹。图3a显示的插图是原子力显微镜探针在阶台阶边缘进行线扫描。

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注：本文转载自布鲁克纳米表面仪器部