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我國學者與國外合作者在有機半導體n-型摻雜研究方面取得進展

發布日期: 2021-11-24 信息來源:亚博游戏-亚博游戏网站-亚博电子竞技(天津)有限公司 字體: [ ]

在國家(jia)自然科學(xue)基金(jin)(jin)等項(xiang)目資助下,南方科技大(da)學(xue)郭旭崗教授團隊與美(mei)國Flexterra公司Antonio Facchetti合作,在有機(ji)半導體n-型摻雜中取得進展。相關成果以“過渡金(jin)(jin)屬催化的有機(ji)半導體n-型分子摻雜(Transition metal catalysed molecular n-doping of organic semiconductors)”為題于(yu)2021年11月4日在《自然》(Nature)上(shang)發表(biao)。論文鏈接: http://doi.org/10.1038/s41586-021-03942-0。

有(you)(you)機(ji)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)的(de)n-型(xing)(xing)摻(chan)雜(za)(za)(za)是(shi)(shi)實現高(gao)(gao)性(xing)能(neng)有(you)(you)機(ji)發光(guang)二(er)極管、有(you)(you)機(ji)太陽(yang)能(neng)電池(chi)、有(you)(you)機(ji)晶(jing)體(ti)管和(he)有(you)(you)機(ji)熱電等有(you)(you)機(ji)光(guang)電器件及進(jin)行(xing)有(you)(you)機(ji)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)電荷傳輸研究的(de)關鍵技(ji)術,相比于p-型(xing)(xing)(空(kong)穴)摻(chan)雜(za)(za)(za),n-型(xing)(xing)(電子)摻(chan)雜(za)(za)(za)更(geng)具(ju)有(you)(you)挑戰。理(li)想的(de)n-型(xing)(xing)分(fen)子摻(chan)雜(za)(za)(za)劑(ji)(ji)應(ying)同時具(ju)有(you)(you)高(gao)(gao)空(kong)氣穩定性(xing),強還原能(neng)力(li)和(he)高(gao)(gao)摻(chan)雜(za)(za)(za)效率(lv)等特點(dian)。但是(shi)(shi),可(ke)以(yi)直(zhi)接向(xiang)有(you)(you)機(ji)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)給出自由電子的(de)直(zhi)接型(xing)(xing)n-型(xing)(xing)摻(chan)雜(za)(za)(za)劑(ji)(ji)(direct n-dopant)由于能(neng)級較淺,通常穩定性(xing)低;不同的(de)是(shi)(shi),前體(ti)型(xing)(xing)摻(chan)雜(za)(za)(za)劑(ji)(ji)(precursor-type n-dopant)可(ke)以(yi)通過(guo)化(hua)(hua)學(xue)鍵斷裂生成高(gao)(gao)度活(huo)潑(po)的(de)中間產物然后向(xiang)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)給出電子進(jin)行(xing)n-型(xing)(xing)摻(chan)雜(za)(za)(za),從而解決了(le)穩定性(xing)問題。然而,化(hua)(hua)學(xue)鍵斷裂需要(yao)吸收大(da)量(liang)能(neng)量(liang),這不僅(jin)影響摻(chan)雜(za)(za)(za)劑(ji)(ji)的(de)還原能(neng)力(li),也從動力(li)學(xue)上限制(zhi)了(le)摻(chan)雜(za)(za)(za)反應(ying)速率(lv)并(bing)帶(dai)來低摻(chan)雜(za)(za)(za)效率(lv),成為實現理(li)想n-型(xing)(xing)分(fen)子摻(chan)雜(za)(za)(za)的(de)瓶頸。

針對(dui)上(shang)述問(wen)題,該研究團隊報道了一種具有普適性的(de)(de)、基(ji)于過渡(du)金(jin)屬(shu)催化的(de)(de)高(gao)效有機半導(dao)體(ti)n-型摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)技術。通過引入過渡(du)金(jin)屬(shu)(如(ru)Pd、Pt、Au)的(de)(de)納(na)米粒子或可(ke)溶液法(fa)加工的(de)(de)有機金(jin)屬(shu)配合(he)物(如(ru)Pd2(dba)3)等作為催化劑(ji),可(ke)以大幅度(du)降低前體(ti)型摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)劑(ji)的(de)(de)摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)反應(ying)活化能(neng)(neng),從(cong)而有效提升摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)反應(ying)速率(lv)、摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)效率(lv)和表觀(guan)還原能(neng)(neng)力。對(dui)于經典(dian)摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)劑(ji)N-DMBI-H,在(zai)不使用催化劑(ji)時(shi)(shi),其摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)效率(lv)較低,摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)反應(ying)需(xu)(xu)數小時(shi)(shi)才能(neng)(neng)完(wan)成;使用催化劑(ji)時(shi)(shi),其摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)效率(lv)可(ke)以提升至(zhi)近100%,摻(chan)(chan)(chan)雜(za)(za)(za)反應(ying)僅需(xu)(xu)10秒(miao)鐘(zhong)甚至(zhi)更短時(shi)(shi)間就(jiu)可(ke)以完(wan)成,進而在(zai)溶液法(fa)處理的(de)(de)n-型高(gao)分子半導(dao)體(ti)薄膜中實(shi)現>100 S/cm的(de)(de)高(gao)電導(dao)率(lv)。

機(ji)(ji)理研究發現,催(cui)化(hua)劑的(de)引入(ru)可以將摻雜過程中N-DMBI-H的(de)C–H鍵斷裂轉變(bian)為(wei)強烈放能步驟,并有(you)效降低H2產(chan)生的(de)能壘(lei),從而(er)帶來近(jin)百萬倍的(de)反應速率提升,驗證了(le)催(cui)化(hua)摻雜的(de)概念。該團隊(dui)進而(er)研究了(le)該催(cui)化(hua)摻雜方(fang)法對于不同半(ban)導體、摻雜劑、催(cui)化(hua)劑的(de)普(pu)適性,并將催(cui)化(hua)摻雜方(fang)法應用在(zai)需(xu)要高載流子密度和/或高效電子注入(ru)/傳輸的(de)有(you)機(ji)(ji)光電器(qi)件中,實現了(le)n-型有(you)機(ji)(ji)熱電器(qi)件、n-型有(you)機(ji)(ji)薄膜(mo)晶體管(guan)和鈣鈦礦(kuang)太陽能電池性能的(de)顯著提升。

簡(jian)單、高(gao)效(xiao)的(de)催化摻雜概念將原來由半(ban)導(dao)體+摻雜劑(ji)組成(cheng)的(de)二元體系拓(tuo)展(zhan)到由半(ban)導(dao)體+摻雜劑(ji)+催化劑(ji)組成(cheng)的(de)三元體系,為理想n-型分(fen)子摻雜劑(ji)的(de)設計提供了(le)新的(de)研究(jiu)思路(lu)。

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