[論文レビュー] Molecular Electronics by Chemical Modification of Semiconductor Surfaces

Ayelet Vilan, David Cahen|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2016

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 211被引用数 109

ひとこと要約

金属/半導体界面における分子モノレイヤーの化学的修飾がエネルギーレベル整合を調整し、状態を不活性化させ、双極子を誘起し、電荷の再配置を誘導してハイブリッドデバイスの輸送特性に影響を与える方法のレビュー。

ABSTRACT

Inserting molecular monolayers within metal / semiconductor interfaces provides one of the most powerful expressions of how minute chemical modifications can affect electronic devices. This topic also has direct importance for technology as it can help improve the efficiency of a variety of electronic devices such as solar cells, LEDs, sensors and possible future bioelectronic devices, which are based mostly on non-classical semiconducting materials (section 1). The review covers the main aspects of using chemistry to - control alignment of energy levels at interfaces (section 2): - passivate interface states (section 3), - insert molecular dipoles at interfaces (section 4), - induce charge rearrangement at and around interfaces (section 5). After setting the stage, we consider the unique current-voltage characteristics that result from transport across metal / molecular monolayer / semiconductor interfaces. Here we focus on the interplay between the monolayer as tunneling barrier on the one hand, and the electrostatic barrier within the semiconductor, due to its space-charge region (section 6), on the other hand, as well as how different monolayer chemistries control each of the these barriers. Section 7 provides practical tools to experimentally identify these two barriers, and distinguish between them, after which section 8 concludes the story with a summary and a view to the future. While this review is concerned with hybrid semiconductor / molecular effects (see Refs. 1,2 for earlier reviews on this topic), issues related to formation of monolayers and contacts, as well as charge transport that is solely dominated by molecules, have been reviewed elsewhere[3-6], including by us recently[7].

研究の動機と目的

• 化学が金属/半導体界面におけるエネルギーレベルの整合をどのように制御するかを説明する。
• デバイス性能を向上させるための界面状態のパッシベーション（除去・無害化）を論じる。
• 界面に挿入された分子の双極子が静電気と輸送にどのように影響するかを説明する。
• 分子層による界面内外の電荷再配置を分析する。
• 界面障壁を特定し区別するための実践的な実験手法を要約する。

提案手法

• 分子モノレイヤーのトンネル障壁としての役割と、それらの半導体空間電荷領域との相互作用をレビューする。
• モノレイヤーの化学が界面エネルギー整合と双極子モーメントを調節する方法を論じる。
• M-MOS（金属–分子–半導体）構造における静電的障壁とトンネル障壁を分離する実験技術を概説する。
• ナノ構造化された界面とハイブリッド半導体/分子効果に関する既往研究を総合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子モノレイヤーは金属/半導体界面におけるエネルギーレベル整合をいかに変えるか？
• RQ2 分子修飾による界面状態のパッシベーションを支配するメカニズムは何か？
• RQ3 分子の双極子と電荷再配置はハイブリッド界面を横断する輸送にどのように影響するか？
• RQ4 これらの系においてトンネル障壁を半導体空間電荷障壁と実験的に区別するにはどうすればよいか？

主な発見

• 分子モノレイヤーは双極子モーメントを介して界面エネルギーレベルをシフトさせることができる。
• 化学的修飾は界面状態をパッシベーションし、デバイス挙動を改善できる。
• モノレイヤーはトンネル障壁として機能し、その効果は半導体空間電荷領域と競合する。
• モノレイヤーの化学は界面内外の静電的障壁と電荷分布を制御する。
• 二つの主要な障壁を実験的に特定し区別する実用的手段が存在する。
• この総説は金属/分子/半導体界面を横断する輸送における分子効果と半導体効果の相互作用を強調する。