南京大学电子科学与工程学院施毅、李昀团队：有机半导体超宽温区金属型输运研究

金属型输运是指材料电导率随温度降低而升高的电荷输运行为，通常仅在单晶硅等无机半导体中出现。受限于分子间相互作用弱、结构动态无序性强等因素，在有机半导体中实现宽温区的金属型电荷输运长期以来被认为极具挑战。

针对上述难题，南京大学电子科学与工程学院施毅院士与李昀教授团队、南京大学集成电路学院王启晶助理教授，联合英国剑桥大学Henning Sirringhaus教授和北京理工大学乔婧思教授基于超薄单晶中分子层间共轭耦合增强新手段，提出并验证了“范德华桥联的分子双层输运网络”的全新超二维电荷输运机制，不仅显著增强层间电荷隧穿和轨道耦合，而且通过提升结构刚性抑制分子振动引起的动态无序，并有效削弱电荷载流子之间的库仑相互作用对其输运的影响。在未掺杂的有机半导体材料中，首次观测到低至8 K的超宽温区金属型输运，其电导率高达245 S cm⁻¹，霍尔迁移率超过100 cm² V⁻¹ s⁻¹。该结果不仅显著突破了已报道的有机场效应晶体管性能极限，其电导水平更接近重掺杂硅和宽禁带 GaAs 等无机半导体材料。这一发现从物理本质上打破了“弱范德华作用必然导致低温载流子局域化”的传统认识，同时突破了“有机材料性能难以媲美无机材料”的性能壁垒，为高性能有机电子材料的基础研究和应用发展提供了全新思路。

进一步，研究团队通过可控引入缺陷，在有机半导体体系中首次清晰观测到了无序驱动的金属绝缘体相变及其量子临界标度行为。这是有机半导体领域极为罕见的结果。这一结果在有机半导体研究领域极为罕见，不仅成功将经典无机半导体和强关联电子体系中的量子相变物理拓展至有机体系，也为研究有机Mott–Anderson体系提供了理想的模型平台。

2026年1月20日，该成果以“Metallic charge transport in conjugated molecular bilayers”为题，发表在《Nature Electronics》上。本研究由南京大学、剑桥大学、中国人民大学、北京理工大学等多家单位联合攻关完成，第一作者为鲁姱姱博士、李昀教授、王启晶助理教授和伍琳璐博士，通讯作者为李昀教授、王启晶助理教授、乔婧思教授、施毅院士以及Henning Sirringhaus教授。剑桥大学任兴龙博士，南京大学黎松林教授、王欣然教授、张春峰教授、李朝升教授，中国人民大学季威教授，北京理工大学王业亮教授、武旭教授，上海科技大学陈刚教授，上海大学周丽旗副教授，常州大学姜赛副教授，以及英国华威大学王鹏教授对本工作提供重要支持。相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。

原文链接: https://www.nature.com/articles/s41928-025-01553-5

图1. 基于Ph-BTBT-C₁₀分子层间共轭苯环对的“范德华桥联的分子双层输运网络”。a，HTH结构的Ph-BTBT-C₁₀示意图。b，Ph-BTBT-C₁₀、Th-BTBT-C₁₀和BTBT-C₁₀的层间、层内结合能及范德华间隙。c，Ph-BTBT-C₁₀晶体的GIWAXS表征。d，Ph-BTBT-C₁₀晶体的AFM和HRAFM表征。e，Ph-BTBT-C₁₀分子排列示意图，以及Ph-BTBT-C₁₀、Th-BTBT-C₁₀和 BTBT-C₁₀的转移积分。

图2. 超宽温区金属型电荷输运。a，四探针结构的器件示意图及对应的光学显微镜图像。b，不同载流子浓度下，电导率随温度的变化关系。c，霍尔迁移率随温度的变化关系。d，高迁移率有机单晶半导体统计。

图3. 无序驱动的金属绝缘体相变及量子临界标度行为。a，不同电场下的面电阻随温度变化关系。b，当电场E趋近临界场E_T时，激活能隙Δ和温度标度参数T₀。c，金属绝缘体相变附近的电阻随温度变化曲线。