中科院化学所Nat. Commun.: 有机单晶p-n异质结，小于5 nm！

半导体p-n异质结是各类有机光电器件的基本组成部分，同时也是器件物理研究的基石。以有机光伏器件为例，器件激子解离等关键物理过程均发生在p-n异质结界面，而激子解离是光伏器件的主要决定因素。

然而，体相异质结不可避免的结构紊乱以及复杂的双连续互传晶界和界面缺陷，使得我们很难从根本上阐明器件的工作原理。而高度有序的晶体p-n异质结具有界面明确、高度可定制等优点，是深入理解有机异质结本质的有效策略，也是揭示有机光电子器件基本机制的一种有效途径。

单分子层晶体（monolayer molecule crystals, MMCs）组成的有机p-n异质结集结了单分子层晶体和晶体异质结的优点，不仅具有晶体分子的高效载流子传输特性，同时具有原子级洁净界面的双层厚度。然而，直接培养这类有机单晶p-n异质结依旧是一个巨大的挑战，这极大的限制了有机光电器件的应用。

近期，中科院化学所易院平研究员、江浪研究员和华中科技大学王帅教授等人提出了一种简单且通用的制备方法，即将小分子半导体与非晶聚合物共混，可控地制备均匀、高质量、大面积的单分子层晶体。采用该方法制备出的C6DPA单分子层的横向晶体尺寸超过400 μm。更有意义的是，该生长策略也具有普适性，适用于如C8BTBT、HTEB和NDI等其他小分子半导体，并且可以在各种基底上生长。 他们进一步报道了一种一步生长策略，构建了具有原子级洁净界面的超薄垂直有机单晶p-n异质结，并将有机单晶p-n异质结运用于有机光电器件中，例如在有机场效应晶体管器件中实现了均衡的双极传输性质，有机光伏器件中实现了1.04 V的最大开路电压。该工作近期以“Sub-5 nm singlecrystalline organic p–n heterojunctions”为题发表在Nature子刊Nature Communications上。

全文解读

图1. C6DPA单分子层晶体以及双分子层p-n异质结的表征

通过二维相分离的方法，成功制备系列小分子半导体，如C6DPA、C8BTBT、NDI的单分子层晶体，进一步将NDI、C6DPA和PMMA共混旋涂，一步法获得超薄有机单晶p-n异质结。光学图片、荧光图片、AFM图片和TEM图片证明p-n异质结具有明显的边界，且展现出双层异质结结构，NDI的单分子层晶体厚度为1.7 nm，位于异质结的顶部，C6DPA的单分子层晶体厚度为2.8 nm，位于异质结的底部。

图2. 单分子层晶体和有机单晶双层p-n异质结器件结构以及电性能

C6DPA单分子层晶体的最大迁移率达到1.61 cm2 V–1 s–1，C6DPA和NDI的有机单晶双层p-n异质结展现出平衡的双极传输性质，电子和空穴的迁移率分别达到0.50 cm2 V–1 s–1和0.54 cm2 V–1 s–1。

图3. NDI 和C6DPA有机单晶双层p-n异质结的有机光伏性能

将NDI 和C6DPA有机单晶双层p-n异质结应用于有机太阳能电池，当p-n异质结吸收光子产生激子时，激子会在p-n异质结界面立即分离，然后空穴很容易沿着p-型通道传输到阳极，同时电子也将沿着n-型通道很容易传输到阴极，有机太阳能电池的栅极可调开路电压高达1.04 V，为有机单晶太阳能电池中最高记录。