Nature：想要制備高性能有機半導體？空氣中“照一照”

一、【科學背景】

有機半導體（OSCs）可用于數字顯示器、太陽能電池、LED、傳感器、植入物和能量存儲等領域。為了提高導電性和改善半導體性能，人們通常會引入摻雜劑。化學摻雜是控制OSCs中電荷載流子濃度和傳輸的重要方法，并最終提高器件性能。然而，目前使用的最常見的摻雜劑普遍存在反應性很強（不穩定）、造價昂貴、制造困難等缺點。在溫和條件下使用弱或可廣泛獲得的摻雜劑實現有效摻雜仍然是一個相當大的挑戰。

二、【創新成果】

基于以上難題，瑞典林雪平大學楊馳遠助理教授、Simone Fabiano教授在Nature發表了題為“Photocatalytic doping of organic semiconductors”的論文，首次報道了使用空氣作為弱氧化劑（p-摻雜劑）并在室溫下實現OSCs光催化摻雜概念。具體的，將導電塑料浸入特殊的鹽溶液（一種光催化劑（PCs））中，然后用光照射，照射時間長短決定了材料的摻雜程度。隨后回收溶液，得到一種摻雜的導電塑料，其中唯一消耗的物質是空氣中的氧氣。這是一種通用方法，可應用于各種OSCs和光催化劑，其電導率超過3000 S cm^-1。研究人員還證明了OSCs的成功光催化還原（n-摻雜）以及同時p-摻雜和n-摻雜。本研究的光催化摻雜方法為推進OSCs摻雜和開發下一代有機電子器件提供了巨大的潛力。

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研究人員發現，摻雜劑和PC在基態時都不能從OSC或向OSC提取或提供電子。然而，當發生光激發時，PC可以氧化或還原OSC，并被摻雜劑再生。

圖1 ?光催化摻雜示意圖 ? 2024 Springer Nature

?隨后PBTTT的光催化p-摻雜證實了該方法的簡單和有效性。

圖2 ?PBTTT的光催化p-摻雜 ? 2024 Springer Nature

?為了了解光催化p-摻雜過程中的電荷轉移機制，研究人員進行了瞬態吸收光譜、光致發光和吸收光譜實驗。

圖3 ?光催化p-摻雜過程的機制和普適性 ? 2024 Springer Nature

?最后，研究人員進行了OSC的光催化還原（n-摻雜）以及同時光催化p-摻雜和n-摻雜。

圖4 ?光催化n-摻雜和同時光催化p-摻雜和n-摻雜 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究首次報道了OSCs光催化摻雜概念，該概念在室溫下提供了一種簡單有效的基于溶液的制備工藝。在制備過程中可以通過調節光照射量來簡便控制摻雜水平。與依賴于在摻雜過程中消耗的高反應性摻雜劑的傳統摻雜方法相比，光催化摻雜使用可回收和空氣穩定的PC，并且僅消耗基于TSFI的鹽和弱摻雜劑，例如空氣中的O₂。這種光催化方法是通用的，廣泛適用于各種OSC，產生具有高電導率的p-摻雜、n-摻雜以及同時p-摻雜和n-摻雜的OSC。此外，它能夠將氧化還原惰性反離子直接插入到最初未摻雜的OSC膜中，而不會對其微觀結構產生負面影響。這些結果強調了光催化摻雜在有機電子學基礎和應用研究中的重要性。

原文詳情：Photocatalytic doping of organic semiconductors (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07400-5)

本文由賽恩斯供稿。