【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學電子與電氣工程系Aung Ko Ko Kyaw教授團隊在學術期刊Advanced Materials發(fā)表題為Simultaneous Enhancement of Electron and Hole Mobility in para-Azaquinodimethane-Derived Polymer by Individually Applying Various Additives的研究論文。該工作在雙極型有機半導體電荷輸運調控方面取得進展，首次實現(xiàn)了在同一材料體系中，僅通過單一添加劑(兼容離子型、p-型與n-型)即可同步提升電子與空穴遷移率，為有機電子器件的發(fā)展提供了全新思路。
 

　　有機半導體因其輕質、低成本、可印刷、柔性和可穿戴等優(yōu)勢，被認為是下一代電子器件的重要候選材料。然而，其電荷遷移率和摻雜效率長期受限，顯著落后于硅基半導體。尤其是在雙極型有機半導體中，電子與空穴傳輸往往難以協(xié)同增強，傳統(tǒng)摻雜機制高度依賴能級匹配，需要分別引入p-型和n-型摻雜劑，且二者在同一體系中相互干擾，嚴重制約器件性能的進一步提升。
 

　　針對這一關鍵瓶頸，研究團隊引入具有醌式結構的para-azaquinodimethane(AQM)單元，并將其與經(jīng)典的吡咯并吡咯二酮(DPP)骨架相結合，通過調控DPP側翼基團的電子親和性，設計合成了三種新型聚合物材料：FuAQM、SeAQM 和PyAQM。其中，F(xiàn)uAQM和SeAQM分別引入呋喃和硒吩，表現(xiàn)為p-型主導的雙極型行為；而采用吡啶的PyAQM則呈現(xiàn)n-型主導特性，為系統(tǒng)研究添加劑效應提供了理想模型體系。
 

　　研究人員進一步選取了離子型添加劑TBAI、n-型添加劑TeNF，以及p-型添加劑Zn(C6F5)2，并對三種聚合物進行系統(tǒng)研究。結果顯示，在p-型主導的FuAQM和SeAQM中，添加劑會削弱電荷傳輸性能；而在n-型主導的PyAQM中，無論添加劑類型如何，電子和空穴遷移率均實現(xiàn)同步顯著提升，其中電子遷移率最高提升約400%，空穴遷移率提升近100%。這一現(xiàn)象突破了傳統(tǒng)電子轉移摻雜理論的認知邊界，在同類研究中尚屬首次報道。
 

　　機理研究表明，該協(xié)同增強效應并非源于電子轉移摻雜。電子順磁共振測試顯示，F(xiàn)uAQM和SeAQM均表現(xiàn)出明顯信號，而PyAQM無論是否加入添加劑均未觀測到信號，表明其未發(fā)生電子轉移，與“電子轉移機制無法同步增強電子與空穴遷移率”的認知一致。FuAQM和SeAQM的信號源于醌式–芳香式共振互變生成的自由基，削弱了主鏈共軛性，且SeAQM中添加劑會進一步加劇該效應。相比之下，PyAQM的n-型特性穩(wěn)定了醌式結構，維持了高度共軛的主鏈結構。
 

　　結合密度泛函理論(DFT)計算和GIWAXS表征，研究團隊提出了一種新的作用機制：AQM單元能夠促進聚合物主鏈與添加劑之間形成有效的軌道耦合，構建新的電荷傳輸通道，從而實現(xiàn)電子與空穴傳輸?shù)耐皆鰪?。進一步對芳香化對比體系的計算表明，醌式結構是實現(xiàn)強軌道耦合的關鍵。
 

　　總之，該研究證明，通過分子設計增強主體聚合物與客體添加劑之間的軌道耦合，可繞開傳統(tǒng)摻雜機制的局限，在單一雙極型有機半導體中實現(xiàn)p/n遷移率的協(xié)同提升。這一策略對離子型、p-型和n-型添加劑均具有良好兼容性，為高性能雙極型有機半導體材料及互補邏輯電路的發(fā)展提供了新的設計原則和評價指標。研究成果有望推動有機電子學在柔性電子、可穿戴器件和新型集成電路等領域的進一步應用。
 

　　論文共同第一作者包括南方科技大學校長卓越博后劉謙、東京科學大學JSPS研究員何宛兒及南科大材料科學與工程系博士生張雙哲。南方科技大學為論文第一單位，Aung Ko Ko Kyaw教授為主通訊作者，劉謙博士、東京科學大學Tsuyoshi Michinobu教授、昆士蘭科技大學Prashant Sonar教授為共同通訊作者。本研究還得到了南方科技大學陳曉龍教授、李磊教授等的支持。