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

有機半導體的化學摻雜是實現(xiàn)高性能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，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-型分子摻雜劑應同時具有高空氣穩(wěn)定性、強還原能力和高摻雜效率。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, 圖1）由于能級較淺，通�？諝夥�(wěn)定性低；而前體型摻雜劑(precursor-type n-dopant, 圖1)可以通過化學鍵斷裂生成中間產(chǎn)物然后向半導體給出電子進行n-型摻雜，從而解決了穩(wěn)定性問題。然而，化學鍵斷裂通常需要吸收大量的能量，這不僅強烈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(xiàn)理想n-型分子摻雜的瓶頸。

圖1.基于過渡金屬催化的n-型分子摻雜概念。藍色線條代表過渡金屬催化摻雜路徑，催化劑的引入大幅度降低了反應能量勢壘，從而摻雜效率可以實現(xiàn)數(shù)量級的提升。

在本研究中，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，通過引入過渡金屬納米粒子（如Pd,Pt,Au）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，預期可以降低前體類型分子的摻雜反應活化能，從而有效提升其摻雜反應速率、摻雜效率和表觀還原能力。

視頻1.在室溫下和空氣中，無催化劑（左）和使用金納米粒子催化劑（右）時的摻雜反應對比。催化劑的引入顯著提升了摻雜能力，導致了半導體溶液顏色的快速改變，實現(xiàn)了半導體的高效快速n-型摻雜。

100 S/cm的高電導率。

圖2.分子摻雜劑N-DMBI-H摻雜機理的DFT計算結果，青色和橙色分別對應無催化劑和有催化劑的摻雜過程的吉布斯自由能變。

進一步的機理研究發(fā)現(xiàn)，過渡金屬催化劑的引入可以將N-DMBI-H摻雜過程中的C–H鍵斷裂轉變?yōu)閺娏曳拍懿襟E（圖2），并有效降低H2產(chǎn)生步驟的能量勢壘，從而帶來近百萬倍的反應速率上的提升，驗證了催化摻雜的概念。研究團隊進而研究了該催化摻雜方法對不同半導體、分子摻雜劑、催化劑的普適性。簡單、高效的催化摻雜概念為有機半導體n-型摻雜研究開辟了新方向，在分子摻雜劑、半導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-型分子摻雜劑的設計提供了新的研究思路。該團隊將催化摻雜方法應用在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中，實現(xiàn)了器件性能的顯著提升（圖3）。

圖3.n-型有機半導體的催化摻雜技術實現(xiàn)了包括有機熱電器件(Organic Thermoelectrics)和有機薄膜晶體管(Organic Thin-Film Transistors)在內(nèi)的多種有機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教授Simone Fabiano、意大利羅馬大學教授Alessandro Motta、韓國高麗大學教授Han Young Woo等。此項研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委的資助。南科大分析測試中心為部分實驗表征工作提供了大力支持。

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