硅材料在20世紀迅猛發展不僅得益于人們對界面科學與工程的深入研究，而且更是將廣泛應用的半導體微電子學帶入千家萬戶。出席日前在蘇州舉行的以“碳基半導體界面科學與工程”為主題的第386次香山科學會議的專家指出，碳基半導體界面科學與工程方面是一個非常復雜的體系，還有許多重大的科學問題亟待解決。
展現廣闊應用前景
以碳材料為主的半導體器件是以共軛小分子／聚合物、石墨烯、富勒烯和碳納米管材料作為主要工作物質的功能器件，包括有機發光二極管、有機光伏電池等。
會議執行主席、蘇州大學／香港城市大學教授、中科院院士李述湯在主題評述報告中介紹說，與硅基半導體材料相比，碳基半導體材料具有無法替代的優勢，如其結構的多樣性和可裁剪性，來源的廣泛性、良好的加工性、可大面積制備等。自20世紀50年代以來，碳基半導體材料的研究及應用一直受到科學界的高度關注，并不斷取得突破，極大地促進了碳基半導體在基礎研究和商業開發方面的發展，特別是在能源的高效轉換、存儲和利用等方面展現出越來越重要的應用前景。
專家介紹，作為與硅基半導體器件互補的新型器件，碳基半導體器件目前已形成一個由化學、物理科學、信息電子科學和材料科學等諸多學科相互交叉的新興研究領域，正在信息顯示、固體照明、自動控制、太陽能利用、信息存儲等多方面展現出越來越重要的應用前景。特別是以有機發光二極管為基礎的新型平板顯示和固態光源，已經率先或即將進入應用領域的這一事實，更是向人們展示了碳基半導體器件廣闊的發展前景。
碳基半導體器件的研究正在全球范圍受到日益重視，是目前國際上極具挑戰性和迫切性的重要研究方向。美、日、歐等西方國家和地區紛紛將有機半導體器件的研究列入高技術發展規劃中，先后啟動了一系列科研計劃來應對有機半導體器件的研究。
界面是關鍵
碳基半導體器件的性能主要取決于器件中關鍵界面的結構和特性，特別是界面的電荷過程、光電轉換過程及化學行為?？v觀過去數十年的歷史，人們不難看到，每一次在界面特性研究中所取得的進展，都給其器件應用帶來新的突破和機遇。如美國Tang博士研究組在有機發光二極管中引入一個有機層界面，極大地提高了載流子的復合效率，從而開創了有機發光二極管的新篇章；美國Forrest教授和Thompson教授研究組合作，在有機發光二極管中引入磷光發光體，實現了主體材料向客體材料完全的能量轉移，激子的內量子效率從原有的25％提高到100％，由此使得有機二極管的高效發光成為現實。
在碳基半導體器件研究取得快速進步的同時，目前碳基半導體器件面臨性能偏低、壽命偏短、成本偏高三個關鍵問題，其性能的進一步改善受到嚴重制約。
“在碳基半導體器件的主要應用中，金屬／碳基半導體、碳基半導體／碳基半導體、無機／碳基半導體和碳基半導體／空氣這四類關鍵界面對器件的載流子輸運特性和光電轉換過程等有著非常重要的影響?！崩钍鰷f。
與會專家強調，從界面科學與工程的角度，圍繞碳基分子界面的基礎科學問題、各種碳基半導體器件中的實際界面問題以及分子界面調控等進行研究，將會有助于碳基半導體器件的完善，加速實現多種碳基半導體器件的實際應用，其意義是難以估量的。
仍處基礎研究階段
碳基半導體界面科學與工程方面是一個非常復雜的體系，研究工作涉及多個學科的交叉，需要物理、化學、電子學、信息學和材料學等多學科的研究人員緊密協作。
與會專家認為，碳基分子界面的基礎問題及分子界面調控的研究仍處于基礎研究階段，還有許多重大的科學問題亟待解決，而且這些問題決定或制約著有機半導體器件今后的實際應用。
如由于材料和界面工程兩方面還普遍存在的一些問題，造成目前有機太陽能電池效率還比較低，嚴重限制了器件應用效率的進一步提高。主要問題包括：有機／高分子材料的低遷移率導致載流子收集效率偏低，光電池界面調控的理論和工藝都不夠完善，對界面激子的分離、傳輸等動力學過程仍缺乏更深層次和系統的理解等，而通過界面調控可實現對器件的效率、壽命和加工性的影響。
與會專家討論分析認為，現階段我國碳基半導體的發展應關注以下科學問題：碳基材料的微結構、電子態、載流子和激子的動力學特征及其相互關系；碳基器件界面結構和性能調控手段的研究；碳基器件界面調控過程中的動力學過程模型研究；用于碳基器件界面調控的材料設計與剪裁；對納米尺度材料界面調控的有關物理現象測試表征手段的研究和開發；對界面的調控如何影響器件宏觀行為，并如何向相關應用領域轉移等。專家強調，關鍵界面的研究和性能調控是碳基半導體納米材料及器件發展的一個重要方向，涉及眾多學科領域，技術手段要求高，急需強化基礎研究力量，加強各相關領域專家學者之間的交流，發展新的實驗方法和理論，逐步攻克碳基材料器件應用中的關鍵科學問題。