Nature：想要制备高性能有机半导体？空气中“照一照”

一、【科学背景】

有机半导体（OSCs）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。化学掺杂是控制OSCs中电荷载流子浓度和传输的重要方法，并最终提高器件性能。然而，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。在温和条件下使用弱或可广泛获得的掺杂剂实现有效掺杂仍然是一个相当大的挑战。

二、【创新成果】

基于以上难题，瑞典林雪平大学杨驰远助理教授、Simone Fabiano教授在Nature发表了题为“Photocatalytic doping of organic semiconductors”的论文，首次报道了使用空气作为弱氧化剂（p-掺杂剂）并在室温下实现OSCs光催化掺杂概念。具体的，将导电塑料浸入特殊的盐溶液（一种光催化剂（PCs））中，然后用光照射，照射时间长短决定了材料的掺杂程度。随后回收溶液，得到一种掺杂的导电塑料，其中唯一消耗的物质是空气中的氧气。这是一种通用方法，可应用于各种OSCs和光催化剂，其电导率超过3000 S cm^-1。研究人员还证明了OSCs的成功光催化还原（n-掺杂）以及同时p-掺杂和n-掺杂。本研究的光催化掺杂方法为推进OSCs掺杂和开发下一代有机电子器件提供了巨大的潜力。

研究人员发现，掺杂剂和PC在基态时都不能从OSC或向OSC提取或提供电子。然而，当发生光激发时，PC可以氧化或还原OSC，并被掺杂剂再生。

图1光催化掺杂示意图© 2024 Springer Nature

随后PBTTT的光催化p-掺杂证实了该方法的简单和有效性。

图2 PBTTT的光催化p-掺杂© 2024 Springer Nature

为了了解光催化p-掺杂过程中的电荷转移机制，研究人员进行了瞬态吸收光谱、光致发光和吸收光谱实验。

图3光催化p-掺杂过程的机制和普适性© 2024 Springer Nature

最后，研究人员进行了OSC的光催化还原（n-掺杂）以及同时光催化p-掺杂和n-掺杂。

图4光催化n-掺杂和同时光催化p-掺杂和n-掺杂© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究首次报道了OSCs光催化掺杂概念，该概念在室温下提供了一种简单有效的基于溶液的制备工艺。在制备过程中可以通过调节光照射量来简便控制掺杂水平。与依赖于在掺杂过程中消耗的高反应性掺杂剂的传统掺杂方法相比，光催化掺杂使用可回收和空气稳定的PC，并且仅消耗基于TSFI的盐和弱掺杂剂，例如空气中的O₂。这种光催化方法是通用的，广泛适用于各种OSC，产生具有高电导率的p-掺杂、n-掺杂以及同时p-掺杂和n-掺杂的OSC。此外，它能够将氧化还原惰性反离子直接插入到最初未掺杂的OSC膜中，而不会对其微观结构产生负面影响。这些结果强调了光催化掺杂在有机电子学基础和应用研究中的重要性。

原文详情：Photocatalytic doping of organic semiconductors(Nature2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07400-5)

本文由赛恩斯供稿。