一項由普林斯頓大學，佐治亞理工和柏林洪堡大學組成的國際團隊得到的發(fā)現(xiàn)為更廣泛地使用有機電子這種高科技開拓了新的道路。r2vesmc

這份聚焦于有機半導體的研究發(fā)表在11月13號的《自然?材料》期刊上，這類材料因為其在各種新興技術上的應用而被重視，比如柔性電子，太陽能轉化以及智能手機和電視的高質量彩色屏幕。簡單地說，這次突破特別對發(fā)射高光子能量，比如綠光和藍光，的有機發(fā)光二極管有著巨大的幫助。r2vesmc

插圖：王晶，林鑫r2vesmc

“有機半導體是制作低功耗，低工藝溫度的柔性器件的理想材料，”普林斯頓電子工程系的博士生林鑫說道，他也是這項研究的第一作者?！八麄兊囊粋€主要缺點是有相對弱的導電性，這在有些應用中導致了麻煩的發(fā)生和低效的器件。我們正在尋找新的方法來提高有機半導體的電學性能。”r2vesmc

半導體，常見的比如硅，是現(xiàn)代電子的基石，因為工程師能利用它們獨特的性質來控制電流。在很多應用中，半導體器件被用做計算，信號處理和開關。它們也被用在節(jié)能器件中，比如發(fā)光二極管，和能量轉換器件中，比如太陽能電池。r2vesmc

摻雜是實現(xiàn)這些功能最關鍵的本質，指的是通過加入少量其它化學物質或者雜質來調整半導體的化學成分。通過選擇摻雜物的類型和數(shù)量多少，研究者能相對自由地調節(jié)半導體的電子能帶結構和電學性能。r2vesmc

在他們的文章中，研究者描述了一種新的方法來極大地增強有機半導體（由碳分子構成而非硅原子）的導電性。摻雜物是一種含釕的化合物，用做還原劑，換句話說就是在一部分摻雜過程中向有機半導體引入額外的電子。這些額外的電子是增強半導體導電性的關鍵。這種化合物屬于最新研發(fā)的二聚體有機金屬摻雜物。和其它強力還原劑不同，這些摻雜物暴露在空氣中是穩(wěn)定的，一旦和其它半導體一起融于溶劑或者成膜，就會變成很強的電子施主發(fā)生反應。r2vesmc

來自佐治亞理工的Seth Marder和Stephen Barlow主導著這種新?lián)诫s物的研發(fā)，并稱這種含釕化合物為“超還原摻雜物”。他們說其不尋常之處并不只是其結合了給予電子和在空氣中穩(wěn)定存在的能力，而且在于它們在之前很難被摻雜的一類有機半導體中發(fā)揮作用。普林斯頓的研究者發(fā)現(xiàn)這種新型摻雜物能把這些半導體的導電性提高上百萬倍。r2vesmc

這種含釕化合物是一個二聚體，也就是它由兩個相同的分子，或者說單體，由一個化學鍵鏈接而成。正由于之前所說該化合物相對穩(wěn)定，當加入到那些很難被摻雜的半導體中時，它不會自發(fā)反應而是保持在平衡狀態(tài)。這引出了一個問題，那就是為了增強半導體的導電性，這些釕二聚體需要和半導體反應然后裂開成兩個單體。 r2vesmc

林鑫表示他們尋求了不同的方法來分開這種釕二聚體以期激活摻雜。最終，他和Berthold Wegner，一個來自洪堡大學Norbert Koch組的訪問研究生，從光化合系統(tǒng)的工作原理中找到了線索。他們用紫外線照射該系統(tǒng)，因為紫外線能激發(fā)半導體中的分子然后引導整個反應的開始。因此，在光照下，二聚體能摻雜這種難被摻雜的半導體并且產生了十萬甚至百萬倍導電性的提升。r2vesmc

接下來，研究者們進行了有趣的觀察。r2vesmc

“一旦停止光照，人們可能很簡單地認為逆反應會發(fā)生，接著導致增強的電導消失，”Marder說道，“但其實并不是這樣。”r2vesmc

(一個由普林斯頓的研究者主導的國際項目，發(fā)現(xiàn)一個新的方法來增強有機半導體的性能。Antoine Kahn教授，左二，和研究生們：Micahael Fusella, 林鑫和張豐羽。 (攝影：Sameer Khan/Fotobuddy)r2vesmc

研究者發(fā)現(xiàn)釕單體在半導體中能保持孤立使得增強的電導不消失，即使熱力學原理讓這些分子傾向于回到它們原來的二聚體結構。r2vesmc

Antoine Kahn，工程和應用科學的Stephen C. Macaleer ’63 講座教授領導了整個研究團隊。他表示被摻雜半導體中分子的位置分布對這個謎題提供了一個可能的答案。他們假設單體在半導體內零散分布，使得他們很難回到原來的布局然后重組成二聚體。他說因為重組需要單體必須有正確的取向，但是在這個混合體系中，單體總是歪斜著的。因此，即使熱力學讓單體能夠重組，但這在絕大部分單體上都不會很快發(fā)生。r2vesmc

“問題是為什么這些單體不重組進入平衡狀態(tài)，”Kahn說，“答案就是他們在熱力學上被限制住?！?span style="display:none">r2vesmc

事實上，研究者對這些被摻雜的半導體進行了長達一年多的觀察，發(fā)現(xiàn)導電性只有略微的降低。同時，在用這些材料制備的發(fā)光二極管上，他們發(fā)現(xiàn)摻雜被器件發(fā)出的光持續(xù)地激活。這些器件是和Barry Rand組合作制備的，他是普林斯頓電子工程系和Anglinger能源與環(huán)境中心的助理教授。r2vesmc

“光每激活一步系統(tǒng)，就會產生更多的光來進一步激活，直到完全激活”，Mader說道，他是Georgia Power（佐治亞電力集團）能源效率首席教授和化學系校級講席教授。“僅僅這點就是非常新穎和令人驚訝的發(fā)現(xiàn)?！?span style="display:none">r2vesmc

文章的其它作者包括普林斯頓研究生Kyung Min Lee，Michael A. Fusella和張豐羽，以及佐治亞理工的Karttikay Moudgil.美國國家科學基金和美國能源部對這份研究提供了部分支持。r2vesmc

論文鏈接：Beating the thermodynamic limit with photo-activation of n-doping in organic semiconductors（Nat.Mater.,2017,DOI:10.1038/nmat5027）r2vesmc

普林斯頓Antoine Kahn組介紹：我們的研究集中在薄膜電子器件中材料的電子，化學，結構和電學性質。研究興趣雖然涉及各種半導體材料（單質和化合物），但是我們目前著眼于應用在有機和分子電子學中的有機小分子和聚合物半導體，金屬和金屬氧化物，以及電介質。我們組尤其對處理材料和界面感興趣，以期能提高有機發(fā)光二極管，場效應管，有機光伏電池以及其它應用于大規(guī)模柔性電子的薄膜器件的性能。近乎無限化學合成新分子化合物的可能性，與在各種襯底上通過真空蒸發(fā)，溶液工藝或者打印成膜無與倫比簡單性，使得有機半導體相比于其它半導體材料有關鍵的優(yōu)勢，并且開啟了器件結構創(chuàng)新的無數(shù)可能性。r2vesmc

http://www.ee.princeton.edu/research/kahn/r2vesmc

摻雜以及相關方向最近發(fā)表文章（節(jié)選）：
Beating the thermodynamic limit with photo-activation of n-doping in organic semiconductors, Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch and Antoine Kahn. Nat. Mater. DOI: 10.1038/NMAT5027 (2017)r2vesmc

Investigation of the High Electron Affinity Molecular Dopant F6-TCNNQ for Hole-Transport Materials, Fengyu Zhang and Antoine Kahn. Adv. Funct. Mater. 1703780 (2017)r2vesmc

Pairing of near-ultraviolet solar cells with electrochromic windows for smart management of the solar spectrum, Nicholas C. Davy, Melda Sezen, Jia Gao, Xin Lin, Amy Liu, Antoine Kahn and Yueh-Lin Loo, Nature Energy, 2, 17104 (2017)r2vesmc

Morphological Tuning of the Energetics in Singlet Fission Organic Solar Cells, YunHui L. Lin, Michael A. Fusella, Oleg V. Kozlov, Xin Lin, Antoine Kahn, Maxim S. Pshenichnikov, and Barry P. Rand, Adv. Func. Mat., 26, 6489 (2016)r2vesmc

Impact of a Low Dopant Concentration on the Distribution of Gap States in a Molecular Semiconductor, Xin Lin, Geoffrey E. Purdum, Swagat K. Mohapatra, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Yueh-Lin Loo and Antoine Kahn, Chem. Mat. 28, 2677 (2016)r2vesmc

Experimental Characterization of Interfaces of Relevance to Organic Electronics, Gabriel Man, James Endres, Xin Lin and Antoine Kahn, in WSPC Reference on Organic Electronics, Jean-Luc Brédas and Seth R. Marder, edts., World Scientific, chapt. 6, p. 159-191 (2016)r2vesmc

John Sullivan（普林斯頓工程學院通訊辦公室）發(fā)表于2017年11月21日[https://www.princeton.edu/news/2017/11/21/breakthrough-could-launch-organic-electronics-beyond-cellphone-screens(https://www.princeton.edu/news/2017/11/21/breakthrough-could-launch-organic-electronics-beyond-cellphone-screens)r2vesmc

翻譯：林鑫r2vesmc

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