专家：界面是发展碳基半导体器件关键

硅材料在20世纪迅猛发展不仅得益于人们对界面科学与工程的深入研究，而且更是将广泛应用的半导体微电子学带入千家万户。出席日前在苏州举行的以“碳基半导体界面科学与工程”为主题的第386次香山科学会议的专家指出，碳基半导体界面科学与工程方面是一个非常复杂的体系，还有许多重大的科学问题亟待解决。

    展现广阔应用前景

    以碳材料为主的半导体器件是以共轭小分子/聚合物、石墨烯、富勒烯和碳纳米管材料作为主要工作物质的功能器件，包括有机发光二极管、有机光伏电池等。

    会议执行主席、苏州大学/香港城市大学教授、中科院院士李述汤在主题评述报告中介绍说，与硅基半导体材料相比，碳基半导体材料具有无法替代的优势，如其结构的多样性和可裁剪性，来源的广泛性、良好的加工性、可大面积制备等。自20世纪50年代以来，碳基半导体材料的研究及应用一直受到科学界的高度关注，并不断取得突破，极大地促进了碳基半导体在基础研究和商业开发方面的发展，特别是在能源的高效转换、存储和利用等方面展现出越来越重要的应用前景。

    专家介绍，作为与硅基半导体器件互补的新型器件，碳基半导体器件目前已形成一个由化学、物理科学、信息电子科学和材料科学等诸多学科相互交叉的新兴研究领域，正在信息显示、固体照明、自动控制、太阳能利用、信息存储等多方面展现出越来越重要的应用前景。特别是以有机发光二极管为基础的新型平板显示和固态光源，已经率先或即将进入应用领域的这一事实，更是向人们展示了碳基半导体器件广阔的发展前景。

    碳基半导体器件的研究正在全球范围受到日益重视，是目前国际上极具挑战性和迫切性的重要研究方向。美、日、欧等西方国家和地区纷纷将有机半导体器件的研究列入高技术发展规划中，先后启动了一系列科研计划来应对有机半导体器件的研究。    

    界面是关键

    碳基半导体器件的性能主要取决于器件中关键界面的结构和特性，特别是界面的电荷过程、光电转换过程及化学行为。纵观过去数十年的历史，人们不难看到，每一次在界面特性研究中所取得的进展，都给其器件应用带来新的突破和机遇。如美国Tang博士研究组在有机发光二极管中引入一个有机层界面，极大地提高了载流子的复合效率，从而开创了有机发光二极管的新篇章；美国Forrest教授和Thompson教授研究组合作，在有机发光二极管中引入磷光发光体，实现了主体材料向客体材料完全的能量转移，激子的内量子效率从原有的25%提高到100%，由此使得有机二极管的高效发光成为现实。

    在碳基半导体器件研究取得快速进步的同时，目前碳基半导体器件面临性能偏低、寿命偏短、成本偏高三个关键问题，其性能的进一步改善受到严重制约。

    “在碳基半导体器件的主要应用中，金属/碳基半导体、碳基半导体/碳基半导体、无机/碳基半导体和碳基半导体/空气这四类关键界面对器件的载流子输运特性和光电转换过程等有着非常重要的影响。”李述汤说。

    与会专家强调，从界面科学与工程的角度，围绕碳基分子界面的基础科学问题、各种碳基半导体器件中的实际界面问题以及分子界面调控等进行研究，将会有助于碳基半导体器件的完善，加速实现多种碳基半导体器件的实际应用，其意义是难以估量的。   

    仍处基础研究阶段

    碳基半导体界面科学与工程方面是一个非常复杂的体系，研究工作涉及多个学科的交叉，需要物理、化学、电子学、信息学和材料学等多学科的研究人员紧密协作。

    与会专家认为，碳基分子界面的基础问题及分子界面调控的研究仍处于基础研究阶段，还有许多重大的科学问题亟待解决，而且这些问题决定或制约着有机半导体器件今后的实际应用。

    如由于材料和界面工程两方面还普遍存在的一些问题，造成目前有机太阳能电池效率还比较低，严重限制了器件应用效率的进一步提高。主要问题包括：有机/高分子材料的低迁移率导致载流子收集效率偏低，光电池界面调控的理论和工艺都不够完善，对界面激子的分离、传输等动力学过程仍缺乏更深层次和系统的理解等，而通过界面调控可实现对器件的效率、寿命和加工性的影响。

    与会专家讨论分析认为，现阶段我国碳基半导体的发展应关注以下科学问题：碳基材料的微结构、电子态、载流子和激子的动力学特征及其相互关系；碳基器件界面结构和性能调控手段的研究；碳基器件界面调控过程中的动力学过程模型研究；用于碳基器件界面调控的材料设计与剪裁；对纳米尺度材料界面调控的有关物理现象测试表征手段的研究和开发；对界面的调控如何影响器件宏观行为，并如何向相关应用领域转移等。专家强调，关键界面的研究和性能调控是碳基半导体纳米材料及器件发展的一个重要方向，涉及众多学科领域，技术手段要求高，急需强化基础研究力量，加强各相关领域专家学者之间的交流，发展新的实验方法和理论，逐步攻克碳基材料器件应用中的关键科学问题。