南科大郭旭崗課題組在《自然》發(fā)表有機(jī)半導(dǎo)體n-型摻雜研究新進(jìn)展

近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授郭旭崗課題組在有機(jī)半導(dǎo)體n-型摻雜研究中取得突破性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了高效的催化摻雜方法，相關(guān)成果以“Transition metal catalysed molecular n-doping of organic semiconductors”為題發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。

有機(jī)半導(dǎo)體的化學(xué)摻雜是實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)光電器件及進(jìn)行有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸研究的關(guān)鍵技術(shù)，n-型（電子）摻雜相比于p-型（空穴）摻雜更具有挑戰(zhàn)性。理想的n-型分子摻雜劑應(yīng)同時(shí)具有高空氣穩(wěn)定性、強(qiáng)還原能力和高摻雜效率。但是，可以直接向有機(jī)半導(dǎo)體給出自由電子的直接型n-型摻雜劑（direct n-dopant, 圖1）由于能級(jí)較淺，通�？諝夥�(wěn)定性低；而前體型摻雜劑(precursor-type n-dopant, 圖1)可以通過(guò)化學(xué)鍵斷裂生成中間產(chǎn)物然后向半導(dǎo)體給出電子進(jìn)行n-型摻雜，從而解決了穩(wěn)定性問(wèn)題。然而，化學(xué)鍵斷裂通常需要吸收大量的能量，這不僅強(qiáng)烈影響摻雜劑的還原能力，也從動(dòng)力學(xué)上限制了摻雜反應(yīng)速率并帶來(lái)低摻雜效率，成為實(shí)現(xiàn)理想n-型分子摻雜的瓶頸。

圖1.基于過(guò)渡金屬催化的n-型分子摻雜概念。藍(lán)色線條代表過(guò)渡金屬催化摻雜路徑，催化劑的引入大幅度降低了反應(yīng)能量勢(shì)壘，從而摻雜效率可以實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的提升。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有普適性的、基于過(guò)渡金屬催化的高效有機(jī)半導(dǎo)體n-型摻雜技術(shù)。如圖1所示，通過(guò)引入過(guò)渡金屬納米粒子（如Pd,Pt,Au）或可溶液法加工的有機(jī)金屬配合物（如Pd₂(dba)₃）等作為催化劑，預(yù)期可以降低前體類(lèi)型分子的摻雜反應(yīng)活化能，從而有效提升其摻雜反應(yīng)速率、摻雜效率和表觀還原能力。

視頻1.在室溫下和空氣中，無(wú)催化劑（左）和使用金納米粒子催化劑（右）時(shí)的摻雜反應(yīng)對(duì)比。催化劑的引入顯著提升了摻雜能力，導(dǎo)致了半導(dǎo)體溶液顏色的快速改變，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體的高效快速n-型摻雜。

100 S/cm的高電導(dǎo)率。

圖2.分子摻雜劑N-DMBI-H摻雜機(jī)理的DFT計(jì)算結(jié)果，青色和橙色分別對(duì)應(yīng)無(wú)催化劑和有催化劑的摻雜過(guò)程的吉布斯自由能變。

進(jìn)一步的機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡金屬催化劑的引入可以將N-DMBI-H摻雜過(guò)程中的C–H鍵斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈放能步驟（圖2），并有效降低H2產(chǎn)生步驟的能量勢(shì)壘，從而帶來(lái)近百萬(wàn)倍的反應(yīng)速率上的提升，驗(yàn)證了催化摻雜的概念。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而研究了該催化摻雜方法對(duì)不同半導(dǎo)體、分子摻雜劑、催化劑的普適性。簡(jiǎn)單、高效的催化摻雜概念為有機(jī)半導(dǎo)體n-型摻雜研究開(kāi)辟了新方向，在分子摻雜劑、半導(dǎo)體和催化劑組成的三元體系中具有廣闊的探索空間，也為理想n-型分子摻雜劑的設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。該團(tuán)隊(duì)將催化摻雜方法應(yīng)用在n-型有機(jī)熱電器件、n-型有機(jī)薄膜晶體管和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，實(shí)現(xiàn)了器件性能的顯著提升（圖3）。

圖3.n-型有機(jī)半導(dǎo)體的催化摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了包括有機(jī)熱電器件(Organic Thermoelectrics)和有機(jī)薄膜晶體管(Organic Thin-Film Transistors)在內(nèi)的多種有機(jī)電子器件性能的大幅度提升。

郭旭崗課題組研究助理教授郭晗為論文第一作者，郭旭崗和美國(guó)Flexterra公司的Antonio Facchetti博士為論文共同通訊作者，南科大是論文第一單位。其他合作者包括瑞典林雪平大學(xué)教授Simone Fabiano、意大利羅馬大學(xué)教授Alessandro Motta、韓國(guó)高麗大學(xué)教授Han Young Woo等。此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委的資助。南科大分析測(cè)試中心為部分實(shí)驗(yàn)表征工作提供了大力支持。

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