重慶大學胡文平教授課題組開發(fā)了一種生長二維有機半導體晶體的新方法——“溶液外延”法。先將少量單體溶液分散在水面，通過溶劑揮發(fā)及單體分子間的強相互作用力自組裝成小晶體，再以小晶體為晶種，在其上滴加新的單體溶液使其外延生長。

二維有機半導體晶體（2DCOS）與傳統(tǒng)有機半導體相比，具有以下優(yōu)勢：1）可通過分子設(shè)計獲得一定的功能和理想的能帶結(jié)構(gòu)；2）出色的柔性；3）溶液可加工性。然而由于缺乏晶體受控生長的方法，對二維晶體結(jié)晶過程不夠了解，阻礙了對2DCOS的研究。這里胡文平教授課題組開發(fā)了一種新的在水面上生長2DCOS的方法，稱為溶液外延法。這一方法將為更多二維晶體材料的制備和研究提供新的思路。

【圖文導讀】

圖1. 2DCOS生長過程示意圖。a）將溶液滴落到水表面上，b）溶劑蒸發(fā)導致分子聚集，c）通過π-π相互作用的分子組裝，d）在水表面上的自組裝2DCOS，e）基于小2DCOS的外延生長，f）水面上的大面積2DCOS。

具體方法如下：將數(shù)十微升的單體溶液滴到水面上（圖1a），單體通過表面張力在整個水面上快速擴散（圖1b）。隨后，有機半導體分子通過強π-π相互作用開始聚集（圖1c），并變成微米大小的2DCOS（圖1d）。利用微米級的2DCOS為晶種，再其上滴加新溶液（圖1e），導致小2DCOS的外延生長，獲得尺寸為毫米或甚至超過1厘米的2DCOS（圖1f）。為了更好地控制晶體生長，溶劑的選擇和溶液濃度對于這種“溶液外延”至關(guān)重要，這樣可以避免多晶的生長。此外能參與多種分子相互作用的分子，如π-π氫鍵，C-H-π或C-S鍵相互作用也很重要。

圖2. 微米尺寸2DCOS的表征。 a）-c）苝，d）-f）C6-DPA，g）-i）C6-PTA和j） - l）C6-DBTDT的2DCOS光學顯微鏡圖像（左）插圖為對應的分子結(jié)構(gòu)；TEM圖像（中間），SAED圖案（右）。

圖3. 毫米和厘米尺寸2DCOS的表征。 a）C6-DBTDT的幾毫米尺寸2DCOS的光學顯微鏡圖像，b），c）C6-DBTDT 2DCOS的交叉偏振光學顯微照片。整個顯微照片上均勻的顏色變化證實2DCOS是單晶， d）AFM圖像，2DCOS的厚度為14.13nm，約5-6個分子層。 e）SEM圖像；f）-i）C6-DBTDT 2DCOS的SAED圖案，分別對應e圖中不同位置。不同位置擁有相同的SAED圖案，表明其單晶本質(zhì)；j）厘米尺寸苝2DCOS（藍色）的光學顯微鏡圖像，插圖為XRD和SAED圖案。

圖4. 2DCOS的場效應。a），b）苝，c），d）C6-DPA，e），f）C6-PTA，g），h）C6-DBTDT 2DCOS 的OFET**轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線。（a）（c）（e）和（g）中的不同顏色的線對應于不同的柵極電壓。