用有機半導體通過空氣摻雜以提高導電性的新研究

半導體是所有現代電子產品的基礎。現在，林雪平大學的研究人員開發了一種新方法，通過空氣作為摻雜劑使有機半導體更具導電性。該研究發表在《自然》雜志上，是未來廉價和可持續有機半導體的重要一步。

“我們相信這種方法可以顯著影響我們摻雜有機半導體的方式。所有組件都價格低廉、易于獲取，并且可能對環境友好，這是未來可持續電子產品的必要條件，”林雪平大學副教授西蒙·法比亞諾（Simone Fabiano）說。

基于導電塑料而不是硅的半導體有許多潛在應用。其中，有機半導體可以用于數字顯示器、太陽能電池、LED、傳感器、植入物和能源存儲。

為了提高導電性和修改半導體特性，通常會引入所謂的摻雜劑。

這些添加劑促進半導體材料中電荷的移動，并且可以根據需要調整以引入正電荷（p型摻雜）或負電荷（n型摻雜）。目前使用的最常見摻雜劑通常非常活躍（不穩定）、昂貴、制造困難，或以上三者兼而有之。

靈感來自自然

現在，林雪平大學的研究人員開發了一種可以在室溫下進行的摻雜方法，其中氧氣是主要摻雜劑，光線激活摻雜過程。

“我們的方法受到自然的啟發，因為它在許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，然后促進從通常效率低下的摻雜劑向有機半導體材料的電子轉移，”西蒙·法比亞諾說。

這種新方法涉及將導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間。照射時間決定了材料的摻雜程度。之后，溶液被回收以供將來使用，只留下其中唯一消耗的物質——空氣中的氧氣——來摻雜的導電塑料。

良好的導電性

這是可能的，因為光催化劑充當“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。這在化學中很常見，但以前從未用于有機電子學。

“同樣的反應中也可以結合p型摻雜和n型摻雜，這相當獨特。這簡化了電子設備的生產，特別是那些需要p型和n型半導體的設備，如熱電發生器。所有部件可以一次制造并同時摻雜，而不是一個一個地進行，使過程更具規模化，”西蒙·法比亞諾說。

摻雜后的有機半導體比傳統半導體具有更好的導電性，并且該過程可以擴大規模。西蒙·法比亞諾和他的有機電子實驗室研究小組早在2024年展示了如何用水等環保溶劑處理導電塑料；這是他們的下一步。

“我們才剛剛開始全面了解其背后的機制及其他潛在的應用領域。但這是一種非常有前途的方法，顯示了光催化摻雜在有機電子學中的新基石，”西蒙·法比亞諾說，他是瓦倫貝格學會研究員。

該研究得到了克努特和愛麗絲·瓦倫貝格基金會、瓦倫貝格木材科學中心、瓦倫貝格材料科學可持續發展倡議、瑞典研究委員會（Vetenskapsr?det）、奧勒·恩奎斯特基金會、歐盟委員會以及瑞典政府在林雪平大學高級功能材料（AFM）戰略研究領域的資助。溫龍·金、楊啟元和西蒙·法比亞諾已根據研究申請了專利，后兩人是林雪平大學衍生公司n-Ink AB的創始人。