元素摻雜劑助力有機電子設備的發展

材料牛注：IMSU研究團隊與來自IPRD的德國同事合作，成功的找到了一種新的分子，這種分子有助于有機電子的發展。該研究成果已經發表在Advanced Materials。

莫斯科大學的科學家與德國同事共同發現了[3]-軸烯衍生物可以用于制作有機半導體，這種分子距被發現已經有將近30年了。

莫斯科大學，基礎物理與化學工程系的材料工程實驗室主任，Dmitry Ivanov認為，這一成就將極大推動有機電子的發展，特別是對有機發光二極管和新型有機太陽能電池的制造。

有機電子和塑料電子是一個相對年輕的科學領域，他們在15到20年前才面世。它的目的是用有機材料發展電子設備。就性能方面而言，這類電子設備不如標準的硅基電子產品，同時耐用性也差。但它也有優點，輕、薄、有彈性、透明，并且最重要優點是塑膠電子比硅更便宜。有機電子的主要應用包括太陽能電池，這將使得其比硅基組件要便宜的多（硅基組件的高成本是發展塑料電子的原因之一，它制約了太陽能電池的大面積覆蓋，從而限制了能量轉換效率的提高）。再者，有機電子還可以用來設計有機發光二極管和場效應晶體管。

問題中分子是所謂的摻雜劑，它在半導體聚合物中的增加，本質上是極大增加了電子器件的導電性。摻雜劑已經在無機半導體領域廣泛地應用幾十年了。然而，該文章的合作者Dmitry Ivanov說道，摻雜劑在有機導體領域的研究還遠遠不夠。目前，最廣泛地是含氟摻雜。在與不同的有機半導體結合之后，能夠顯著地提高它們的導電性，但是，今天并不是所有的聚合物都能適合地應用在塑料電子上面。

Dmitry Ivanov說：“和Drezden同事一起，我們決定設計一種全新的低分子量的有機半導體的摻雜劑。在這里，重要的是，選擇的分子不僅要能夠適應它的能量水平，而且更重要的是，這種摻雜劑必須很好的與聚合物混合，為了與聚合物聯系起來，摻雜劑在單一分離相里面不會分離，最終發生結晶。而事實上，這種摻雜劑與聚合物最終失去了聯系。”

在這項工作中，Ivanov實驗室的主要貢獻包括探索物理相變，二進制系統中的物理混合，換句話說，就是為物理聚合物找到合適的候選人。

這樣的候選人已經被找到了，就是[3]-軸烯衍生物。這是一個由碳原子相互連接，形成一個三角形結構的小平面分子。在眾多潛在地理想化合物中，就活力而言，[3]-軸烯具有最合適的LUMO能級，即最低未占據分子軌道。這意味著，在它的作用下，電子很容易從半導體聚合物基底中脫離出來，成為自由電荷，從而增加摻雜材料的導電性。在那些已知的科學文獻當中，[3]-軸烯已然成為最強的有機半導體的摻雜劑。

[3]-軸烯實驗，經過了量子化學計算的結果的證實，表明混合半導體聚合物，能夠幾十甚至上百倍地增加聚合物的導電性。科學家已經發現，當聚合物中摻雜劑的含量達到50%以上時，相分離將不會發生，但是聚合物的晶體結構卻是逐漸改變的。這意味著，雜劑分子被包含在聚合物晶格中，并形成所謂的共晶。據Ivanov所說，共晶的形成正是新化合物高性能的主要原因之一。

我們所說的新摻雜劑，以及含氟摻雜劑和目前最常用的類似物，都是屬于缺電子有機雜質的范疇。Dmitry Ivanov說道：“氟取代基是已知的能從分子的中心部分強烈地拉出電子，從而增加摻雜聚合物的整體導電性。在目前的研究工作中，我們發現摻雜劑的化學結構是完全不同的，并且，事實上，似乎是變得更好。我認為，摻雜劑與基體的完美結合是其性能的關鍵。這一完美的結合為制造具有性能更優的新型有機太陽能電池鋪平道路。我們也在考慮有機場效應晶體管的生產。我認為這會對有機電子器件的發展起到很大的推動作用。”

參考原文鏈接：Scientists found a molecule that will help to make organic electronic devices.

文獻鏈接：High Conductivity in Molecularly p-Doped Diketopyrrolopyrrole-Based Polymer: The Impact of a High Dopant Strength and Good Structural Order.

本文由編輯部曾慶輝提供素材，劉純編譯，李銳審核，點我加入材料人編輯部。

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