2024年3月25日发(作者：淳于星河)
毫米尺寸的单层二维分子晶体
翻译：吴冰 MG1423046 汪俊 MG1423044 李良辉MG1423033
石墨烯的发现震惊了世界，因为它证明了理论上不存在的二维晶体是可以现实存在的。
石墨烯特殊的电子结构暗示着二维晶体可能有独特的特性，使得它们能在很多领域有应用前
景。发展瓶颈在于二维晶体的生长（石墨烯除外）以及大面积、高质量地在任意衬底上得到
二维晶体（包括石墨烯）。
如我们所知，有机晶体是由分子排列组装起来的，有机晶体引起很多人的兴趣，因为（1）
可控的有机晶体生长是自下而上的。（2）有机晶体质量高，电荷陷阱密度最小并且晶格完美，
没有晶界等，这使得我们可以用有机晶体测试有机材料最本征的特性。（3）高质量有机晶体
有望用来制作高性能器件。在实际应用方面现存的问题主要是有机晶体的大面积、可控的生
长。
晶体的维度显然取决于分子的化学结构以及分子的排列方式，尤其依赖于分子间相互作
用的长度与对称性。比如，共轭分子间的弱范德瓦尔斯力容易使分子排列为一维的棒状晶体。
二维单晶只能通过在单晶衬底上以高于外延结晶温度进行外延生长。但是这种单晶的应用被
严重制约，因为它只能在特定衬底特定区域生长。尤其对于有机半导体，人们必须为此寻找
单晶衬底和相匹配的分子。因此，在非晶的、任意衬底上得到大面积二维有机晶体是长期存
在的挑战。
在此，我们报道我们首次制得毫米尺寸的二维有机半导体，并且其厚度只有一个分子层
厚度、拥有完美的长程有序性。晶体通过溶液沉积的方法快捷高效地制得。最吸引人的地方
是，晶体能在任意非晶衬底表面制得，比如硅、氧化硅、石英甚至水的表面。以单分子层作
为半导体层，做出的有机场效应晶体管迁移率达到1cm2V-1s-1，与非晶硅相似，这为有机
电子学界一些重要而基础的问题提供了直接证据，比如，一个分子层足以作为理想的导电沟
道工作了。
图1 HTEB分子结构和薄膜制备的示意图
我们用的分子是HTEB（图1），它的合成基于以下几点考虑：1）引入碳-碳三键，防止
相邻碳环间的旋转？？2）引入噻吩单元，保证分子间有足够的作用力能够自发排列组装3）
引入烃基提高分子在常规有机溶剂中的溶解能力。通过沉积HTEB的氯苯溶液就能轻易地
在衬底上得到薄膜（图1）。首先将HTEB的氯苯溶液（约30uL）滴在1cmX1cm的衬底上，
然后衬底存放于培养皿，室温下放置至少24小时。HTEB能在多种非晶衬底上有效沉积，
没有观察到对衬底的选择性。有趣的是，薄膜能快速的形成大面积薄膜，比如毫米尺度薄膜，
如光学显微镜和SEM照片（图2a）所示。此外，薄膜很平整，在50um2区域计算粗糙度的
均方根值在0.3-0.4nm之间（图2b）。这与单晶硅的粗糙度相当了，预示其原子级别的平整
度与完美的结构。更重要的是，通过调整溶液浓度，可以轻易地控制薄膜的厚度。比如，图
2c中，得到的薄膜厚度为3.5nm。HTEB的分子长度经计算在4.01nm左右。考虑到有机分
子更趋向于以长轴站立在衬底上的方式堆叠，以此来假设HTEB分子，3.5nm的厚度与单个
分子的长度相对应。6.8nm、10.8nm和14.5nm厚度的薄膜也能轻易地在任意衬底上获得，
如图2d-f所示，对应着2、3和4层分子层。
2024年3月25日发(作者：淳于星河)
毫米尺寸的单层二维分子晶体
翻译：吴冰 MG1423046 汪俊 MG1423044 李良辉MG1423033
石墨烯的发现震惊了世界，因为它证明了理论上不存在的二维晶体是可以现实存在的。
石墨烯特殊的电子结构暗示着二维晶体可能有独特的特性，使得它们能在很多领域有应用前
景。发展瓶颈在于二维晶体的生长（石墨烯除外）以及大面积、高质量地在任意衬底上得到
二维晶体（包括石墨烯）。
如我们所知，有机晶体是由分子排列组装起来的，有机晶体引起很多人的兴趣，因为（1）
可控的有机晶体生长是自下而上的。（2）有机晶体质量高，电荷陷阱密度最小并且晶格完美，
没有晶界等，这使得我们可以用有机晶体测试有机材料最本征的特性。（3）高质量有机晶体
有望用来制作高性能器件。在实际应用方面现存的问题主要是有机晶体的大面积、可控的生
长。
晶体的维度显然取决于分子的化学结构以及分子的排列方式，尤其依赖于分子间相互作
用的长度与对称性。比如，共轭分子间的弱范德瓦尔斯力容易使分子排列为一维的棒状晶体。
二维单晶只能通过在单晶衬底上以高于外延结晶温度进行外延生长。但是这种单晶的应用被
严重制约，因为它只能在特定衬底特定区域生长。尤其对于有机半导体，人们必须为此寻找
单晶衬底和相匹配的分子。因此，在非晶的、任意衬底上得到大面积二维有机晶体是长期存
在的挑战。
在此，我们报道我们首次制得毫米尺寸的二维有机半导体，并且其厚度只有一个分子层
厚度、拥有完美的长程有序性。晶体通过溶液沉积的方法快捷高效地制得。最吸引人的地方
是，晶体能在任意非晶衬底表面制得，比如硅、氧化硅、石英甚至水的表面。以单分子层作
为半导体层，做出的有机场效应晶体管迁移率达到1cm2V-1s-1，与非晶硅相似，这为有机
电子学界一些重要而基础的问题提供了直接证据，比如，一个分子层足以作为理想的导电沟
道工作了。
图1 HTEB分子结构和薄膜制备的示意图
我们用的分子是HTEB（图1），它的合成基于以下几点考虑：1）引入碳-碳三键，防止
相邻碳环间的旋转？？2）引入噻吩单元，保证分子间有足够的作用力能够自发排列组装3）
引入烃基提高分子在常规有机溶剂中的溶解能力。通过沉积HTEB的氯苯溶液就能轻易地
在衬底上得到薄膜（图1）。首先将HTEB的氯苯溶液（约30uL）滴在1cmX1cm的衬底上，
然后衬底存放于培养皿，室温下放置至少24小时。HTEB能在多种非晶衬底上有效沉积，
没有观察到对衬底的选择性。有趣的是，薄膜能快速的形成大面积薄膜，比如毫米尺度薄膜，
如光学显微镜和SEM照片（图2a）所示。此外，薄膜很平整，在50um2区域计算粗糙度的
均方根值在0.3-0.4nm之间（图2b）。这与单晶硅的粗糙度相当了，预示其原子级别的平整
度与完美的结构。更重要的是，通过调整溶液浓度，可以轻易地控制薄膜的厚度。比如，图
2c中，得到的薄膜厚度为3.5nm。HTEB的分子长度经计算在4.01nm左右。考虑到有机分
子更趋向于以长轴站立在衬底上的方式堆叠，以此来假设HTEB分子，3.5nm的厚度与单个
分子的长度相对应。6.8nm、10.8nm和14.5nm厚度的薄膜也能轻易地在任意衬底上获得，
如图2d-f所示，对应着2、3和4层分子层。