新方法是将导电塑料浸入特殊的盐溶液(一种光催化剂)中,然后用光照射它一小段时间,形成p掺杂导电塑料,其中唯一消耗的物质是空气中的氧气。图片来源:瑞典林雪平大学
科技日报记者 张佳欣
瑞典林雪平大学的研究人员开发了一种新方法,在空气作为掺杂剂的帮助下,可让有机半导体变得更具导电性。发表在最新一期《自然》杂志上的这项研究,是迈向未来生产廉价和可持续有机半导体的重要一步。
林雪平大学副教授西蒙娜·法比亚诺表示,这种方法可以显著影响有机半导体的掺杂方式。新方法中所有组件都是实惠的、容易获得的,而且对环境友好,这是未来可持续电子产品的先决条件。
有机半导体可用于数字显示器、太阳能电池、LED、传感器、植入物和能量存储等领域。为了提高导电性和改善半导体性能,人们通常会引入掺杂剂。这些掺杂剂可促进半导体材料内电荷移动,并且可以定制以诱导正电荷(p掺杂)或负电荷(n掺杂)。目前使用的最常见的掺杂剂普遍存在反应性很强(不稳定)、造价昂贵、制造困难等缺点。
现在,研究人员开发出这种可以在室温下进行掺杂的方法,其中低效掺杂剂(例如氧)是主要掺杂剂,光可以激活掺杂过程,然后促进电子从低效的掺杂剂向有机半导体材料的转移。
新方法的灵感来源于大自然,因为它与光合作用有许多相似之处。具体而言,首先是将导电塑料浸入特殊的盐溶液(一种光催化剂)中,然后用光短时间照射它。照明的持续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,留下一种p掺杂的导电塑料,其中唯一消耗的物质就是空气中的氧气。
研究人员表示,光催化剂起到了“电子穿梭机”的作用,可以在牺牲剂存在的情况下,获取电子或将电子提供给材料。这在化学中很常见,但此前从未在有机电子中使用过。
基于导电塑料而不是硅的半导体有许多潜在应用,而掺杂剂是提升其性能的关键。本研究的亮点就在于掺杂剂。能在同一反应中同时使用p掺杂和n掺杂这点非常独特,简化了电子器件的生产设备,特别是那些同时需要p掺杂和n掺杂半导体的设备,如热电发电机。所有部件可以一次制造并同时掺杂,而不是一个一个地掺杂,这使工艺更具可扩展性。