用有机半导体通过空气掺杂以提高导电性的新研究

半导体是所有现代电子产品的基础。现在，林雪平大学的研究人员开发了一种新方法，通过空气作为掺杂剂使有机半导体更具导电性。该研究发表在《自然》杂志上，是未来廉价和可持续有机半导体的重要一步。

“我们相信这种方法可以显著影响我们掺杂有机半导体的方式。所有组件都价格低廉、易于获取，并且可能对环境友好，这是未来可持续电子产品的必要条件，”林雪平大学副教授西蒙·法比亚诺（Simone Fabiano）说。

基于导电塑料而不是硅的半导体有许多潜在应用。其中，有机半导体可以用于数字显示器、太阳能电池、LED、传感器、植入物和能源存储。

为了提高导电性和修改半导体特性，通常会引入所谓的掺杂剂。

这些添加剂促进半导体材料中电荷的移动，并且可以根据需要调整以引入正电荷（p型掺杂）或负电荷（n型掺杂）。目前使用的最常见掺杂剂通常非常活跃（不稳定）、昂贵、制造困难，或以上三者兼而有之。

灵感来自自然

现在，林雪平大学的研究人员开发了一种可以在室温下进行的掺杂方法，其中氧气是主要掺杂剂，光线激活掺杂过程。

“我们的方法受到自然的启发，因为它在许多方面与光合作用类似。例如，在我们的方法中，光线激活光催化剂，然后促进从通常效率低下的掺杂剂向有机半导体材料的电子转移，”西蒙·法比亚诺说。

这种新方法涉及将导电塑料浸入一种特殊的盐溶液——光催化剂中，然后用光照射一段时间。照射时间决定了材料的掺杂程度。之后，溶液被回收以供将来使用，只留下其中唯一消耗的物质——空气中的氧气——来掺杂的导电塑料。

良好的导电性

这是可能的，因为光催化剂充当“电子穿梭”，在牺牲弱氧化剂或还原剂的存在下向材料提供或接受电子。这在化学中很常见，但以前从未用于有机电子学。

“同样的反应中也可以结合p型掺杂和n型掺杂，这相当独特。这简化了电子设备的生产，特别是那些需要p型和n型半导体的设备，如热电发生器。所有部件可以一次制造并同时掺杂，而不是一个一个地进行，使过程更具规模化，”西蒙·法比亚诺说。

掺杂后的有机半导体比传统半导体具有更好的导电性，并且该过程可以扩大规模。西蒙·法比亚诺和他的有机电子实验室研究小组早在2024年展示了如何用水等环保溶剂处理导电塑料；这是他们的下一步。

“我们才刚刚开始全面了解其背后的机制及其他潜在的应用领域。但这是一种非常有前途的方法，显示了光催化掺杂在有机电子学中的新基石，”西蒙·法比亚诺说，他是瓦伦贝格学会研究员。

该研究得到了克努特和爱丽丝·瓦伦贝格基金会、瓦伦贝格木材科学中心、瓦伦贝格材料科学可持续发展倡议、瑞典研究委员会（Vetenskapsrådet）、奥勒·恩奎斯特基金会、欧盟委员会以及瑞典政府在林雪平大学高级功能材料（AFM）战略研究领域的资助。温龙·金、杨启元和西蒙·法比亚诺已根据研究申请了专利，后两人是林雪平大学衍生公司n-Ink AB的创始人。