有机半导体单晶由于其缺陷少、性能高是研究有机半导体本征特性和构筑高性能有机场效应晶体管的理想材料。相较于多晶薄膜来说，单晶有着优异的可重复性，并且有机单晶场效应晶体管为研究有机半导体的结构-性能关系及物理传输机制提供了有效的工具。截至目前，已经有多种方法用于生长有机半导体单晶，包括物理气相传输法、溶液法、微距升华法等，但是没有任何一种方法能够制备厚度可控且均一的有机半导体单晶。
近日，天津大学李立强-陈小松团队受多晶薄膜重结晶(一种自发的形态不稳定现象)的启发，开发了一种空间限域重结晶的方法，通过施加纵向压力的方法调控有机半导体多晶薄膜的重结晶过程，能够快速生长厚度可控且均一的有机半导体单晶（图1）。
作者系统研究了生长时间、生长温度和纵向压力等生长参数之间的关系，发现晶体的生长时间与温度和压力呈现负相关。当温度和压力不断增加时生长时间快速缩减，并且压力的大小能够有效的调控有机半导体单晶的厚度。作者通过调控生长温度和生长压力能够在几秒的时间内将有机多晶薄膜生长成厚度可控且均一的有机半导体单晶（图2）。
图1. 空间限域重结晶方法的生长示意图及晶体生长变化过程。图片来源：Small
图2. 有机单晶生长参数之间的关系。图片来源：Small
利用空间限域重结晶方法制备的厚度均一的有机单晶其电学性能也表现出优异的均一性。更值得一提的是这种方法有着优异的普适性，适用于各种难溶和可溶的有机小分子和聚合物，仅需要简单的控制生长压力和生长时间就能够得到质量较高的厚度可控且均一的晶体。并且作者利用这种方法可以将多晶薄膜阵列转变成单晶阵列，有机单晶阵列的电学性能得到了显著提升（图3）。作者开发的这种空间限域重结晶方法具有生长时间快速、厚度均一且可控性，以及较好的分子普适性，在有机电子和光电子器件领域具有广阔的应用前景。
图3. 利用空间限域重结晶的方法实现有机半导体单晶阵列的制备。图片来源：Small
以上工作，以题为“General Spatial Confinement Recrystallization Method for Rapid Preparation of Thickness-controllable and Uniform Organic Semiconductor Single Crystals”的文章在线发表于《Small》期刊（DOI: 10.1002/smll.202301421）。天津大学分子聚集态科学研究院李立强教授和陈小松副教授主持该研究，为论文通讯作者。天津大学分子聚集态科学研究院博士生孙首港，戚建楠，博士后王曙光为论文共同第一作者。天津大学有机集成电路教育部重点实验室、天津大学分子光电科学重点实验室胡文平教授对本研究提供了支持和指导。该研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，天津市自然科学基金，海河可持续化学转化实验室的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202301421
