研究背景
π-共轭材料的化学掺杂必然涉及主体和掺杂剂之间的氧化还原反应。在这个过程中，整数个电子在基态从主体转移到掺杂剂。因为供体-受体结合的驱动力主要由π共轭材料和掺杂剂之间的电化学氧化还原电位决定，所以仅当电荷转移在能量上有利时才会发生有效掺杂。为了获得更高的掺杂效率（例如，p型掺杂），往往需要受主（掺杂剂）的电子亲和力应匹配或超过主体材料的电离电位。
当前研究中已经使用各种掺杂剂和工艺来实现有机半导体的有效化学掺杂。尽管成功调节各种共轭分子的电子亲和力以促进有效掺杂，但电子亲和力的提升容易导致材料出现化学不稳定性。这说明需要扩大潜在分子掺杂剂的选择范围，并且已经尝试使用光辅助掺杂来缓解这一问题。
除了基于氧化还原反应的电荷转移相互作用以外；在p型掺杂的情况下，空穴与空穴、空穴与反离子之间的库仑作用对有机半导体掺杂也有明显的影响，表明可通过优化分子掺杂，以调控库仑或离子的相互作用，从而使有机半导体得到有效掺杂。
成果速览
近日，东京大学的Shun Watanabe团队开发了一种通过使用阴离子交换来克服聚合物半导体掺杂过程中电荷转移限制的策略。
作者使用噻吩类共轭聚合物聚-PBTTT与四氟四氰基醌二甲烷（F4TCNQ）为研究主体，向供体-受体体系引入额外的阴离子。这种物质组合使F4TCNQ自由基阴离子和新引入的阴离子自发交换，具有接近一致的交换效率。这里使用的阴离子交换掺杂法使得聚合物半导体的掺杂水平和掺杂后材料的热耐久性得到显着改善。
该过程由离子液体溶剂充当媒介，掺杂剂阴离子与由离子液体提供的第二阴离子进行有效的瞬时交换。将离子盐（离子液体溶剂）引入常规二元供体-受体系统可以克服氧化还原电位的限制，并使阴离子交换效率接近100％。
该方法可以实现每个单体单元具有一致的掺杂水平。这种掺杂水平的提升，可以增加材料稳定性以及提高材料的传输性能。同时阴离子交换掺杂法几乎可以选择所有离子盐，为聚合物半导体掺杂提供新思路。
本文通过阴离子交换分子掺杂聚合物半导体的方法，提升了聚合物薄膜的掺杂水平和热耐久性。该方法利用离子相互作用来构建新的供体-受体结构，从而克服基于氧化还原电位的限制，并且可能扩展到电子掺杂-即阳离子交换掺杂。
该成果以“Efficient molecular doping of polymeric semiconductors driven by anion exchange”为题于8月28日发表于国际期刊Nature上。
图文导读
图1 阴离子交换法掺杂示意图
图2 分子结构及静电电位分布图
图3 不同阴离子掺杂浓度与离子相互作用的关系
图4 掺杂后PBTTT高度有序的结构和电荷传输
文献信息
Efficient molecular doping of polymeric semiconductors driven by anion exchange(Nature，，DOI: 10.1038/s41586-019-1504-9)原文链接：/10.1038/s41586-019-1504-9免责声明：本文资讯编译自学术期刊最新动态，以传播知识、有益学习和研究为宗旨，相关工作与本公众号无关， 如内容有误，请批评指正。
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