极端条件下无机-有机复合半导体界面的原位监测及调控

Inorganic semiconductor devices possess many advantages, including excellent stability, high working speed etc. However, their fabrication process is rather sophisticated, resulting in high cost of these devices. Besides, the inorganic semiconductors also lack of structural diversity and flexibility, which severely limited their practical applications. In comparison, organic semiconductors benefit from many merits, such as the simple preparation process, low cost, diversiform molecular structures and properties, high optical absorption efficiency and flexibility etc. Unfortunately, the organic semiconductors also suffer from some disadvantages, including poor stability and strength, quite low carrier mobility and so on. It is expected that the inorganic-organic composite semiconductors may inherit the merits of both inorganic and organic components. The existing results of composite semiconductor FET and photovoltaic cells reveal that, this situation will be realized if only the following problems were solved. The first problem is that the carrier mobility of organic semiconductors must be strikingly improved, and the second one is the development of new and effective route to control the state of inorganic-organic interface. In this project, we will concentrate our efforts on the latter issue, conducting intensive in-situ investigations on the interfacial chemical bonds and carrier transportation process under high pressure and reactive atmospheres. By analyzing the effect of interfacial bonding on the transportation of carriers and their interfacial exchange process, we will develop new effective method to control the interfacial state of inorganic-organic semiconductors via applying extreme conditions.

无机半导体光电器件在稳定性、工作速度等方面有明显优势，但制作过程复杂、成本高，且缺乏结构多样性和柔性；有机半导体器件制作工艺简单、分子结构和性质丰富多彩，光吸收效率高且具有柔性，但稳定性差、迁移率太低。无机-有机复合半导体有希望集二者的优势于一身，使半导体光电器件具有良好的综合性能。已有的复合半导体场效应和光伏器件研究结果表明，要实现无机和有机半导体优势互补，必须解决两个关键问题：一是提高有机半导体的载流子迁移率，二是搞清楚无机-有机界面状态，并提出有效的调控方法。本项目拟针对后一个问题开展系统研究，在高压和特殊气氛等极端条件下，原位跟踪无机-有机界面的成键情况和载流子输运性能的变化过程。研究特殊条件下界面成键和界面反应对载流子界面交换和输运过程的影响，并探索利用极端条件调控无机-有机界面状态（组成及结构相容性、界面成键类型、强度等）的有效方法。

为了获得具有优良综合性能的复合半导体，满足现代信息和能源技术的苛刻要求，通过无机与有机半导体复合克服各自的固有缺陷，同时充分发挥它们的优势是一条有效的途径。在无机-有机复合半导体中，界面状态（无机-无机界面和无机-有机界面）是决定复合半导体稳定性和光电性能的关键因素。因此，系统研究无机-有机复合半导体中的界面状态和探索新的调控方法，对显著提高复合半导体光电器件的性能具有重要意义。在本项目中，我们首先研究了几种典型的无机－有机复合半导体薄膜的表面状态，并利用独创的可控汽化溶剂热压方法制备了具有良好界面结合状态（提高载流子迁移率）和多孔特征（有利于表面成键和制备无机－有机复合半导体）的无机半导体网络结构；进一步地，我们发现高压可以明显改善无机－有机半导体界面的亲和性能，再结合能级匹配原则研制了SnO2-P3HT、SnO2-SiPc等复合半导体。在这些复合半导体中，首次实现了两种组份的协同增强效应，即复合半导体的载流子浓度和迁移率不仅远高于有机半导体，也大幅度高于无机半导体。利用这种协同效应，研制了具有优良综合性能的复合半导体气敏传感器，并对协同增强效应产生的机制进行了深入分析；另外，利用我们特有的原位红外光谱方法，实时监测和研究了两种类型的复合半导体(p-Cl-C6H4NH3)3CdBr5和CdI2(AD)的热分解过程，发现高压可以显著提高复合半导体的热稳定性。结合无机-有机半导体界面成键状态的分析，对复合半导体分解过程和机理进行了解释。在此基础上，我们提出了高压生长方法，得到了两种较大尺寸的复合半导体晶体；通过发展新的溶剂辅助高压生长方法，研制了高质量的钙钛矿复合半导体单晶薄膜，其中的载流子寿命达到了目前的最高记录；最后，研制了极端条件下半导体电输运性能联合原位测试系统，实现了在力、热、光、磁和特殊气氛多因素联合作用下复合半导体光电性能的原位连续监测，为研究极端条件下复合半导体的性质、发现新现象和探索新的功能材料提供了独特的条件。