國內外學者在有機半導體n型摻雜研究方面取得進展

圖1 基于過渡金屬催化的n-型分子摻雜概念和對應的催化摻雜機理

　　在國家自然科學基金項目（批準號：21774055、51903117）等資助下，南方科技大學郭旭崗教授團隊與美國Flexterra公司Antonio Facchetti合作，在有機半導體n-型摻雜中取得進展。相關成果以“過渡金屬催化的有機半導體n-型分子摻雜（Transition metal catalysed molecular n-doping of organic semiconductors）”為題于2021年11月4日在《自然》(Nature)上發表。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03942-0 。

　　有機半導體的n-型摻雜是實現高性能有機發光二極管、有機太陽能電池、有機晶體管和有機熱電等有機光電器件及進行有機半導體電荷傳輸研究的關鍵技術，相比于p-型（空穴）摻雜，n-型（電子）摻雜更具有挑戰。理想的n-型分子摻雜劑應同時具有高空氣穩定性，強還原能力和高摻雜效率等特點。但是，可以直接向有機半導體給出自由電子的直接型n-型摻雜劑（direct n-dopant）由于能級較淺，通常穩定性低；不同的是，前體型摻雜劑（precursor-type n-dopant）可以通過化學鍵斷裂生成高度活潑的中間產物然后向半導體給出電子進行n-型摻雜，從而解決了穩定性問題。然而，化學鍵斷裂需要吸收大量能量，這不僅影響摻雜劑的還原能力，也從動力學上限制了摻雜反應速率并帶來低摻雜效率，成為實現理想n-型分子摻雜的瓶頸。

　　針對上述問題，該研究團隊報道了一種具有普適性的、基于過渡金屬催化的高效有機半導體n-型摻雜技術。如圖1所示，通過引入過渡金屬（如Pd、Pt、Au）的納米粒子或可溶液法加工的有機金屬配合物（如Pd2(dba)3）等作為催化劑，可以大幅度降低前體型摻雜劑的摻雜反應活化能，從而有效提升摻雜反應速率、摻雜效率和表觀還原能力。對于經典摻雜劑N-DMBI-H，在不使用催化劑時，其摻雜效率較低，摻雜反應需數小時才能完成；使用催化劑時，其摻雜效率可以提升至近100%，摻雜反應僅需10秒鐘甚至更短時間就可以完成，進而在溶液法處理的n-型高分子半導體薄膜中實現>100 S/cm的高電導率。

　　機理研究發現，催化劑的引入可以將摻雜過程中N-DMBI-H的C–H鍵斷裂轉變為強烈放能步驟，并有效降低H2產生的能壘，從而帶來近百萬倍的反應速率提升，驗證了催化摻雜的概念。該團隊進而研究了該催化摻雜方法對于不同半導體、摻雜劑、催化劑的普適性，并將催化摻雜方法應用在需要高載流子密度和/或高效電子注入/傳輸的有機光電器件中，實現了n-型有機熱電器件、n-型有機薄膜晶體管和鈣鈦礦太陽能電池性能的顯著提升。

　　簡單、高效的催化摻雜概念將原來由半導體+摻雜劑組成的二元體系拓展到由半導體+摻雜劑+催化劑組成的三元體系，為理想n-型分子摻雜劑的設計提供了新的研究思路。