C-AFM 如何破解有机半导体的传输难题？

在有机电子器件飞速发展的今天，有机半导体（OSCs）凭借柔性、低成本、易加工等优势，已成为柔性显示、 wearable 设备、柔性光伏等领域的核心材料。然而，高接触电阻始终是制约其性能升级的 “卡脖子” 难题 —— 传统研究多聚焦于界面优化，却长期忽视了体电阻的关键贡献者：面外电荷传输特性。

一、核心问题：为何体电阻成为关键瓶颈？

在顶接触型有机场效应晶体管等交错结构器件中，电荷从电极注入后，必须垂直穿越整个半导体层，才能到达沟道界面进行水平传输。因此，总接触电阻（R_C）由界面电阻（R_i）和体电阻（R_bulk）共同决定（R_C=R_i+R_bulk）。过去，优化重点集中在降低金属/OSC界面的肖特基势垒（减小R_i）。然而，本研究表明，对于厚度超过单分子层的薄膜，体电阻往往是主导因素。其根源在于，许多高性能OSC（如C8-DNTT-C8）为改善溶解性和自组装而引入的绝缘烷基侧链，在垂直方向上构成了系列化的高能垒。

二、研究突破：V-TLM方法如何揭示微观传输机制？

研究团队以C8-DNTT-C8这一典型的高迁移率材料为模型。其晶体结构呈现“三明治”构型：高导电性的DNTT芳香核层与绝缘的辛基侧链层交替排列。

图1.a)C8-DNTT-C8的分子结构及 b)其晶体结构。c)通过溶液剪切法制备的多层C8-DNTT-C8薄膜的偏振光学显微镜图像。d)C-AFM测量的示意图。e)C8-DNTT-C8薄膜台阶边缘的AFM形貌扫描图及其对应的高度剖面图。

1. 观测到线性电阻增长的深层原因

C-AFM测量清晰显示，面外电阻随分子层数（n）严格线性增加。这一现象无法用空间电荷限制电流（SCLC）等体相传输模型解释。研究团队提出了一个串联隧穿势垒模型：每个由两个DNTT核层及其间的烷基链双层构成的“重复单元”可视为一个电阻。电荷在垂直方向上的传输，并非连续的漂移扩散，而是逐层隧穿通过绝缘的烷基链势垒。

数据印证：在负偏压下，V-TLM曲线斜率（即每增加一层的电阻增量）稳定在约 800 MΩ/层。这一数值直接反映了单个烷基链双层（厚度约2 nm）的隧穿电阻。线性关系（R2>0.99R2>0.99）证明各层结构均一，且隧穿是主要的、一致的传输机制。

图2.a)V-TLM方法(垂直转移长度法)中C-AFM总电阻(R_tot)与薄膜中烷基双层数(n-1)的对比图，测试条件为-1.0V样品偏压和约15nN的机械载荷。b)V-TLM 曲线斜率值，表示当C8-DNTT-C8的厚度增加一层分子层时R_tot的增加情况，以施加于样品上的电压偏压为函数进行绘制。c)V-TLM截距值，表示金属/OSC界面电阻及第一层OSC单层膜电阻的变化情况，以V_sample.为函数

2. 偏压极性效应的物理根源：谁在控制电流扩展？

研究发现，负偏压（空穴从纳米尺度的C-AFM针尖注入）下V-TLM呈完美线性，而正偏压（空穴从大面积Au衬底注入）下线性关系被破坏。这背后是电荷注入点的尺寸效应所导致的电流路径差异：

负偏压（针尖注入）：注入点极小（~170 nm2），电流在进入第一层OSC后几乎无机会在面内扩散，立即被限制在垂直的“纳米柱”内隧穿传输。因此，电阻严格由层数决定，无电流扩展效应。

图 3. a) 通过导电原子力显微镜（C-AFM）获得的不同厚度 C8-DNTT-C8 薄膜的电流 - 电压特性测试结果。b) AFM 探针 / C8-DNTT-C8/Au 结构的能带图。E0 表示真空能级，EF 表示费米能级，LUMO（最低未占分子轨道）代表 C8-DNTT-C8 的最低未占分子轨道能级。c) 多层结晶 C8-DNTT-C8 薄膜的 AFM 探针 / C8-DNTT-C8/Au 结构等效电路模型。

正偏压（衬底注入）：注入区域为整个大面积电极。空穴首先在底层OSC平面内横向扩散，寻找最优的“易通行”垂直路径，导致有效导电面积远大于机械接触面积。这种电流扩展行为使得电阻随厚度的增加不再是简单的线性叠加，导致V-TLM曲线偏离线性。

原因阐释：这一发现至关重要，它意味着在真实器件（通常为大面积电极注入）中，电流扩展可能掩盖材料真实的面外电阻率。而C-AFM在负偏压模式下的测量，恰恰排除了这一干扰，得以测出材料本征的、与面积无关的层间电阻率（ρ_inter=1.4 mΩ^.cm² per layer）。

图4. C-AFM形貌图和电流分布图，显示C8-DNTT-C8薄膜在不同机械载荷下AFM探针施加的电压(V_sample=-1.0V)下的情况。b)对数-对数图，展示不同厚度结晶C8-DNTT-C8层的平均电流随AFM探针施加的机械载荷变化的情况。c) 利用赫理论计算出的AFM探针/C8-DNTT-C8接口区域，与施加的机械载荷作对比t。1)C-AFMR_tot与n的关系图，其中n分别为厚度较高的样品A(n=6)和样品B(n=7)。对R_tot与C8-DNTT-C8样品A和B中n值的C-AFM测量数据进行对数-对数图绘制及线性拟合(样品电压V_sample=-1.0V,P29nN)。

3. 界面与体相的贡献分离：V-TLM的核心价值

V-TLM拟合直线的截距代表了当薄膜厚度仅为单分子层（n=1）时的电阻，其中包含了两个金属/OSC界面电阻和单层材料自身的垂直电阻。而斜率则纯粹由内部的烷基链隧穿势垒（体电阻部分）贡献。
研究发现：对于C8-DNTT-C8，当n>1时，斜率贡献的电阻值远大于截距。这直接证明，在多层器件中，限制性能的主要是烷基侧链引入的体电阻，而非金属/半导体界面。这一结论将材料优化的重点从单纯的界面工程，引导至对分子侧链结构和层间堆叠的精细调控。

三、不止于研究：C-AFM 的实用价值

对于有机电子领域而言，C-AFM 的价值远不止于基础研究：

· 加速材料筛选：无需制备复杂器件，直接通过薄膜测量评估面外传输性能，大幅缩短研发周期；

· 指导分子设计：明确侧链结构对传输的影响，为设计高迁移率有机半导体提供方向；

· 优化器件工艺：揭示电极制备对薄膜的损伤机制，为低损伤电极工艺提供依据。

参考文献：Gicevi?ius, M., Gong, H., Turetta, N., Wood, W., Volpi, M., Geerts, Y., Samorì, P., & Sirringhaus, H. (2025). Probing Out-Of-Plane Charge Transport in Organic Semiconductors Using Conductive Atomic Force Microscopy. Advanced Materials, 37(7), 2418694. https://doi.org/10.1002/adma.202418694

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