金属輸送とは、温度が低下するにつれて材料の導電率が増加する電荷輸送挙動を指します。この現象は通常、単結晶シリコンなどの無機半導体でのみ観察されます。弱い分子間相互作用と強い動的構造無秩序のため、有機半導体において広い温度範囲にわたって金属電荷輸送を達成することは、非常に困難であると長い間考えられてきました。
-1、ホール移動度が 100 cm を超える2V-1s-1。この結果は、これまでに報告されている有機電界効果トランジスタの性能限界を大幅に上回るだけでなく、導電率レベルを高濃度ドープシリコンやワイドバンドギャップGaAsなどの無機半導体の導電率レベルに近づけるものです。この発見は、基本的な物理レベルで、弱いファンデルワールス相互作用が必然的に低温キャリア局在化につながるという従来の見解に疑問を投げかけ、有機材料は無機材料に匹敵できないという認識されている性能の壁を打ち破り、高性能有機電子材料の基礎研究と応用の両方に新たな方向性を提供する。
さらに、研究チームは、欠陥を制御的に導入することにより、有機半導体システムで初めて、無秩序駆動の金属絶縁体転移とその量子臨界スケーリング挙動を明確に観察した。このような結果は、有機半導体の分野では非常にまれです。この研究は、これまで主に古典的な無機半導体と強相関電子系で研究されてきた量子相転移の物理学を有機系に拡張することに成功し、有機モット・アンダーソン系を研究するための理想的なモデル プラットフォームを提供します。
この研究は、南京大学、ケンブリッジ大学、中国人民大学、北京工業大学などの機関によって共同で実施されました。最初の著者は、Kua-Kua Lu 博士、Yun Li 教授、Qijing Wang 助教授、および Linlu Wu 博士です。責任著者はYun Li教授、Qijing Wang助教授、Jingsi Qiao教授、Yi Shi学術研究員、Key Henning Sirringhaus教授です。 Xinglong Ren 博士 (ケンブリッジ大学)、Songlin Li 教授 (常州大学)、Peng Wang 教授 (英国ウォリック大学) からも支援が行われました。この研究は、国家重点研究開発プログラム、中国国家自然科学財団、江蘇省自然科学財団、およびその他のプログラムによって支援されました。
元の記事リンク: https://wwwnaturecom/articles/s41928-025-01553-5
図 1 Ph-BTBT-C10 の層間共役フェニル環ペアに基づく「ファンデルワールス橋分子二重層輸送ネットワーク」。 (a) Ph-BTBT-C10 の HTH 構造の概略図。 (b) Interlayer and intralayer binding energies and van der Waals gaps of Ph-BTBT-C10, Th-BTBT-C10, and BTBT-C10 (c) Ph-BTBT-C10 結晶の GIWAXS 特性評価。 (d) Ph-BTBT-C10 結晶の AFM および高分解能 AFM (HRAFM) 特性評価。 (e) Ph-BTBT-C10 の分子パッキングの概略図、および Ph-BTBT-C10、Th-BTBT-C10、および BTBT-C10 の移動積分。
図 2 超広い温度範囲にわたる金属電荷の輸送。 (a) 4 つのプローブのデバイス構造の概略図と対応する光学顕微鏡写真。 (b) さまざまなキャリア濃度での導電率と温度の関係。 (c) ホール移動度対温度。 (d) 高移動度有機単結晶半導体の統計。
図 3 無秩序による金属絶縁体転移と量子臨界スケーリング動作。 (a) 異なる電界下でのシート抵抗と温度の関係。 (b) 電場 E が臨界場 ET に近づくときの活性化ギャップ Δ と温度スケーリング パラメーター T0。 (c) 金属絶縁体転移付近の抵抗対温度の曲線。
