互动科普

有机晶体显示出像硅那样的功能，而且可能阐明基础物理学

硅是微电子革命的使者，这种无机晶体，精心地搀入适当的成分．就能制出诸如集成电路晶体管等各种各样的器件。硅的许多同类元素及其化合物，例如锗、砷化镓和磷化铟．在基础研究方面起着意义深远的作用，使物理学家能够研究电子在强磁场和极低温度下的奇特性质。研究人员已经从有机物质(聚合物和碳基晶体)巧妙地得到了一些像硅那样的性质，从而制造出了新型半导体器件，包括柔性晶体管和原型计算机显示器。但是成功是有限的：有机半导体仅仅占市场的一隅；这部分市场不需要无机物质的充分威力．井且未引起基础物理学研究的足够重视。

然而，这一切在过去一年间开始发生变化。朗讯科技公司贝尔实验室的Bertram Batlogg、Hendrik Schon以及他们的同事们，已经演示了并苯这类有机晶体的一系列惊人特性并取得了许多成就。第一批成果是新型的激光器和晶体管，这些器件以前从未用有机物质造出过。并苯也展示出超导性和所谓的分数量子霍尔效应（FQHE）。这种效应以前仅在无机半导体里见到过。以前，其他小组也用并苯造出过这种器件，但是未发现这一系列引人注目的特性。首次合成导电有机物质的研究人员获得了2000年的诺贝尔化学奖。

正如Batlogg解释的那样，该小组的工作不是由“头脑里酝酿的某种应用”驱动的．而是由“试图理解有机半导体极限能力的初衷” 引发的。那些极限能力之大，使他们大为吃惊。

并苯分子(正式的名称是聚并苯)由短链苯环组成，最有意思的3种是蒽(3个环)、并四苯(4个环) 和并五苯(5个环)。在晶体和薄膜中，这些分子像砖头和铺路石一样堆积起来。与典型的无机半导体相比，用常规技术制造这些分子晶体会造成许多缺陷和杂质。这些缺陷降低了该材料至关重要的载流子迁移率——电子或空穴(无电子)移动的速度。例如，现代计算机芯片极高的开关速度就取决于半导体的高载流子迁移率。

为了消除这些杂质 Batlogg小组的材料科学家Christian Kloc 用“气化输送法”生产这些晶体：也就是用炉子气化聚并苯，像氢这样的热气体在石英管里带走该蒸气，每种特定的聚并苯沿着石英管凝结，并形成晶体。据Batlogg说，该小组很快就有了惊人的发现：在低温条件下，这些特别纯的聚并苯晶体的载流子迁移率只有最佳的砷化镓才能超过。

接着，该小组着手用这些晶体制造微电子的运载工具：场效应晶体管(FET)。 FET有两类：n型(电流由电子携带)和P型{电流由空穴携带}。在所谓的互补逻辑电路中，n型FET和P型FET成对并排，这种排列的优点有能量消耗低，坚固耐用和电路设计简单。直至现在，没有任何有机材料既呈现n型又呈现P型的特性。因此互补器件要用两种不同的有机材料，这样制造起来就复杂了。朗讯的研究小组用纯度极高的并四苯晶体和并五苯晶体制成了双极FET (即n型和P型)，这显然证实有机材料里的障碍是：缺陷俘获了空穴或电子。此外，该小组制成的双极FET的特性，似乎遵循适用于无机晶体管的所有普通工作规律。

Batlogg小组与Ananth Dodabalapur(他在朗讯的研究小组是有机集成电路的领先群体之一)合作，利用他们的一对双极FET建造世界上首台有机固态“注入”激光器。这种激光器将通过注入电流生成光束来激活产生光的区域。以前所有的固态有机激光器部依赖一个单独的泵激激光器来激活有机材料，这就丧失了全有机器件的性能目标和优点。朗讯激光器有两支双极FET，它们背靠背地安装在普通的并四苯上，一支注入电子，另一支注人空穴：电子和空穴在中部湮灭，并产生黄绿色光（修改设计来产生全波段的光应该是容易办到的事情) 。并四苯晶体被劈开的边缘充当临时的反射镜，用于发射激光。

该小组也使用它的FET来演示并五苯、并四苯和蒽的超导性，尽管温度低到接近绝对零度。超导性产生的原因在于FET将电荷注入并苯晶体，把它其中的一层从绝缘体转变成金属。由于这种新型的渗入方式(采用可高度控制的电荷注入，而不是内装的化学杂质)，此结果可能给物理学家理解超导性带来意义深远的进展。无机半导体虽然具有许多类似于超纯聚并苯的电子性能，但是不具备超导性。

Batlogg小组惊奇地发现另一个低温现象：在大约2开氏度时，在并四苯和并五苯里会出现FQHE。当处于强磁场中的两维层中的电子相互作用并聚集活动时就出现分数量子霍耳效应。该聚集方式看起来仿佛电子已形成粒子，该粒子的电荷是电子电荷的分数，最常见的是1／3或1／5。通常认为2开氏度属冷，但是对分数量子霍耳效应而言，却属热，在像砷化镓这样的无机材料中，大约在0．5开氏度时出现分数量子霍耳效应。温度越高，聚并苯系统里发生的相关相互作用越强、这就给物理学家提供了检验分数量子霍耳效应及其相关现象的理论的全新基础。

Richard Friend在剑桥大学研究聚合物电子学，称朗讯的研究工作为“绝对美妙的物理学”，推翻了他的预测：“自然界对人们利用有机物质做事的限制远远少于人们过去的想象 ”。但是他警告说，对于商业应用而言，该项工作“目前还未提出有吸引力的生产工艺。挑战就要看这方面的进展了。”