近日，上海交通大學電子信息與電氣工程學院電氣工程系尹毅教授、趙孝磊副教授團隊與牛津大學Iain McCulloch教授團隊合作，在n型有機半導體摻雜領域取得重要進展。相關研究成果以“High Efficiency n‐Type Doping of Organic Semiconductors by Cation Exchange”（基于陽離子交換的高效n型有機半導體摻雜）為題，發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。
研究背景
在有機電子器件領域，摻雜技術是調控材料電學性能的關鍵手段。與p型摻雜的成熟應用相比，n型摻雜技術的發展受限于電子傳導性差、摻雜劑選擇少等問題，成為該領域的重大挑戰。本次研究通過引入陽離子交換機制，實現了高效的n型摻雜，保持材料的晶體結構同時顯著提升了電導率，為n型摻雜技術的應用提供了新思路。
亮點成果
該研究的核心創新在于首次將陽離子交換機制引入n型有機半導體的摻雜過程，顯著提高了摻雜效率和電導率。傳統的n型摻雜方法通常通過直接向材料引入電子供體，但這容易破壞半導體材料的有序結構，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，成功解決了這一問題，實現了更高效的摻雜，同時保持了材料的有序結構。
陽離子交換摻雜過程是通過將半導體材料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）組合的環境中來實現的。首先，摻雜劑與N2200的共軛聚合物發生電子轉移，形成中間態（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+），中間態的陽離子被迅速替換，實現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，而材料的晶體結構得以保持不變。通過這一創新的摻雜機制，研究團隊成功地在短時間內實現了對N2200的高效摻雜，材料的電導率提升至1 × 10?² S/cm，顯著超越了現有的傳統n型摻雜方法。實驗結果表明，摻雜后的N2200薄膜不僅具備優異的電荷傳輸性能，而且其有序的晶體結構確保了器件在高電荷密度下依然具備優良的遷移率。
展示了陽離子交換過程如何有效摻雜n型半導體材料
摻雜后的N2200薄膜仍然保持高度有序的結構，有利于提高電子遷移率。
該成果為有機電子學器件的設計與制造提供了新的技術思路，特別在薄膜晶體管、鈣鈦礦太陽能電池和有機光伏器件等領域，未來有望廣泛應用于高電子電荷密度和高遷移率的器件中。
研究團隊
上海交通大學電子信息與電氣工程學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尹毅教授和牛津大學Iain McCulloch教授。上海交通大學為論文的第一完成單位，牛津大學為第二單位。本研究得到了國家自然科學基金、強電磁技術國家重點實驗室開放基金等項目的大力支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412811
來源：上海交通大學