近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系尹毅教授、趙孝磊副教授團(tuán)隊(duì)與牛津大學(xué)Iain McCulloch教授團(tuán)隊(duì)合作，在n型有機(jī)半導(dǎo)體摻雜領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“High Efficiency n‐Type Doping of Organic Semiconductors by Cation Exchange”（基于陽離子交換的高效n型有機(jī)半導(dǎo)體摻雜）為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

研究背景

在有機(jī)電子器件領(lǐng)域，摻雜技術(shù)是調(diào)控材料電學(xué)性能的關(guān)鍵手段。與p型摻雜的成熟應(yīng)用相比，n型摻雜技術(shù)的發(fā)展受限于電子傳導(dǎo)性差、摻雜劑選擇少等問題，成為該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。本次研究通過引入陽離子交換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效的n型摻雜，保持材料的晶體結(jié)構(gòu)同時(shí)顯著提升了電導(dǎo)率，為n型摻雜技術(shù)的應(yīng)用提供了新思路。

亮點(diǎn)成果

該研究的核心創(chuàng)新在于首次將陽離子交換機(jī)制引入n型有機(jī)半導(dǎo)體的摻雜過程，顯著提高了摻雜效率和電導(dǎo)率。傳統(tǒng)的n型摻雜方法通常通過直接向材料引入電子供體，但這容易破壞半導(dǎo)體材料的有序結(jié)構(gòu)，從而影響其電荷傳輸性能。而本研究提出的陽離子交換摻雜技術(shù)，成功解決了這一問題，實(shí)現(xiàn)了更高效的摻雜，同時(shí)保持了材料的有序結(jié)構(gòu)。

陽離子交換摻雜過程是通過將半導(dǎo)體材料N2200薄膜暴露于特定的摻雜劑（如DBN或DBU）與離子液體（如BMIM-TFSI、EMIM-TFSI）組合的環(huán)境中來實(shí)現(xiàn)的。首先，摻雜劑與N2200的共軛聚合物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成中間態(tài)（如帶電的極化子）。接著，通過引入離子液體中的陽離子（如BMIM+、EMIM+），中間態(tài)的陽離子被迅速替換，實(shí)現(xiàn)了高效的陽離子交換過程。這一過程確保了材料中的電荷傳輸效率大大提高，而材料的晶體結(jié)構(gòu)得以保持不變。通過這一創(chuàng)新的摻雜機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)成功地在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對N2200的高效摻雜，材料的電導(dǎo)率提升至1 × 10?² S/cm，顯著超越了現(xiàn)有的傳統(tǒng)n型摻雜方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜后的N2200薄膜不僅具備優(yōu)異的電荷傳輸性能，而且其有序的晶體結(jié)構(gòu)確保了器件在高電荷密度下依然具備優(yōu)良的遷移率。

展示了陽離子交換過程如何有效摻雜n型半導(dǎo)體材料

摻雜后的N2200薄膜仍然保持高度有序的結(jié)構(gòu)，有利于提高電子遷移率。

該成果為有機(jī)電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)與制造提供了新的技術(shù)思路，特別在薄膜晶體管、鈣鈦礦太陽能電池和有機(jī)光伏器件等領(lǐng)域，未來有望廣泛應(yīng)用于高電子電荷密度和高遷移率的器件中。

研究團(tuán)隊(duì)

上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院趙孝磊副教授為該論文的第一作者兼通訊作者，其他通訊作者還包括上海交通大學(xué)尹毅教授和牛津大學(xué)Iain McCulloch教授。上海交通大學(xué)為論文的第一完成單位，牛津大學(xué)為第二單位。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、強(qiáng)電磁技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目的大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412811

來源：上海交通大學(xué)