用有機(jī)半導(dǎo)體通過(guò)空氣摻雜以提高導(dǎo)電性的新研究

半導(dǎo)體是所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，林雪平大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新方法，通過(guò)空氣作為摻雜劑使有機(jī)半導(dǎo)體更具導(dǎo)電性。該研究發(fā)表在《自然》雜志上，是未來(lái)廉價(jià)和可持續(xù)有機(jī)半導(dǎo)體的重要一步。

“我們相信這種方法可以顯著影響我們摻雜有機(jī)半導(dǎo)體的方式。所有組件都價(jià)格低廉、易于獲取，并且可能對(duì)環(huán)境友好，這是未來(lái)可持續(xù)電子產(chǎn)品的必要條件，”林雪平大學(xué)副教授西蒙·法比亞諾（Simone Fabiano）說(shuō)。

基于導(dǎo)電塑料而不是硅的半導(dǎo)體有許多潛在應(yīng)用。其中，有機(jī)半導(dǎo)體可以用于數(shù)字顯示器、太陽(yáng)能電池、LED、傳感器、植入物和能源存儲(chǔ)。

為了提高導(dǎo)電性和修改半導(dǎo)體特性，通常會(huì)引入所謂的摻雜劑。

這些添加劑促進(jìn)半導(dǎo)體材料中電荷的移動(dòng)，并且可以根據(jù)需要調(diào)整以引入正電荷（p型摻雜）或負(fù)電荷（n型摻雜）。目前使用的最常見(jiàn)摻雜劑通常非?；钴S（不穩(wěn)定）、昂貴、制造困難，或以上三者兼而有之。

靈感來(lái)自自然

現(xiàn)在，林雪平大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種可以在室溫下進(jìn)行的摻雜方法，其中氧氣是主要摻雜劑，光線激活摻雜過(guò)程。

“我們的方法受到自然的啟發(fā)，因?yàn)樗谠S多方面與光合作用類似。例如，在我們的方法中，光線激活光催化劑，然后促進(jìn)從通常效率低下的摻雜劑向有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子轉(zhuǎn)移，”西蒙·法比亞諾說(shuō)。

這種新方法涉及將導(dǎo)電塑料浸入一種特殊的鹽溶液——光催化劑中，然后用光照射一段時(shí)間。照射時(shí)間決定了材料的摻雜程度。之后，溶液被回收以供將來(lái)使用，只留下其中唯一消耗的物質(zhì)——空氣中的氧氣——來(lái)?yè)诫s的導(dǎo)電塑料。

良好的導(dǎo)電性

這是可能的，因?yàn)楣獯呋瘎┏洚?dāng)“電子穿梭”，在犧牲弱氧化劑或還原劑的存在下向材料提供或接受電子。這在化學(xué)中很常見(jiàn)，但以前從未用于有機(jī)電子學(xué)。

“同樣的反應(yīng)中也可以結(jié)合p型摻雜和n型摻雜，這相當(dāng)獨(dú)特。這簡(jiǎn)化了電子設(shè)備的生產(chǎn)，特別是那些需要p型和n型半導(dǎo)體的設(shè)備，如熱電發(fā)生器。所有部件可以一次制造并同時(shí)摻雜，而不是一個(gè)一個(gè)地進(jìn)行，使過(guò)程更具規(guī)模化，”西蒙·法比亞諾說(shuō)。

摻雜后的有機(jī)半導(dǎo)體比傳統(tǒng)半導(dǎo)體具有更好的導(dǎo)電性，并且該過(guò)程可以擴(kuò)大規(guī)模。西蒙·法比亞諾和他的有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室研究小組早在2024年展示了如何用水等環(huán)保溶劑處理導(dǎo)電塑料；這是他們的下一步。

“我們才剛剛開(kāi)始全面了解其背后的機(jī)制及其他潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。但這是一種非常有前途的方法，顯示了光催化摻雜在有機(jī)電子學(xué)中的新基石，”西蒙·法比亞諾說(shuō)，他是瓦倫貝格學(xué)會(huì)研究員。

該研究得到了克努特和愛(ài)麗絲·瓦倫貝格基金會(huì)、瓦倫貝格木材科學(xué)中心、瓦倫貝格材料科學(xué)可持續(xù)發(fā)展倡議、瑞典研究委員會(huì)（Vetenskapsr?det）、奧勒·恩奎斯特基金會(huì)、歐盟委員會(huì)以及瑞典政府在林雪平大學(xué)高級(jí)功能材料（AFM）戰(zhàn)略研究領(lǐng)域的資助。溫龍·金、楊啟元和西蒙·法比亞諾已根據(jù)研究申請(qǐng)了專利，后兩人是林雪平大學(xué)衍生公司n-Ink AB的創(chuàng)始人。