元素掺杂剂助力有机电子设备的发展

材料牛注：IMSU研究团队与来自IPRD的德国同事合作，成功的找到了一种新的分子，这种分子有助于有机电子的发展。该研究成果已经发表在Advanced Materials。

莫斯科大学的科学家与德国同事共同发现了[3]-轴烯衍生物可以用于制作有机半导体，这种分子距被发现已经有将近30年了。

莫斯科大学，基础物理与化学工程系的材料工程实验室主任，Dmitry Ivanov认为，这一成就将极大推动有机电子的发展，特别是对有机发光二极管和新型有机太阳能电池的制造。

有机电子和塑料电子是一个相对年轻的科学领域，他们在15到20年前才面世。它的目的是用有机材料发展电子设备。就性能方面而言，这类电子设备不如标准的硅基电子产品，同时耐用性也差。但它也有优点，轻、薄、有弹性、透明，并且最重要优点是塑胶电子比硅更便宜。有机电子的主要应用包括太阳能电池，这将使得其比硅基组件要便宜的多（硅基组件的高成本是发展塑料电子的原因之一，它制约了太阳能电池的大面积覆盖，从而限制了能量转换效率的提高）。再者，有机电子还可以用来设计有机发光二极管和场效应晶体管。

问题中分子是所谓的掺杂剂，它在半导体聚合物中的增加，本质上是极大增加了电子器件的导电性。掺杂剂已经在无机半导体领域广泛地应用几十年了。然而，该文章的合作者Dmitry Ivanov说道，掺杂剂在有机导体领域的研究还远远不够。目前，最广泛地是含氟掺杂。在与不同的有机半导体结合之后，能够显著地提高它们的导电性，但是，今天并不是所有的聚合物都能适合地应用在塑料电子上面。

Dmitry Ivanov说：“和Drezden同事一起，我们决定设计一种全新的低分子量的有机半导体的掺杂剂。在这里，重要的是，选择的分子不仅要能够适应它的能量水平，而且更重要的是，这种掺杂剂必须很好的与聚合物混合，为了与聚合物联系起来，掺杂剂在单一分离相里面不会分离，最终发生结晶。而事实上，这种掺杂剂与聚合物最终失去了联系。”

在这项工作中，Ivanov实验室的主要贡献包括探索物理相变，二进制系统中的物理混合，换句话说，就是为物理聚合物找到合适的候选人。

这样的候选人已经被找到了，就是[3]-轴烯衍生物。这是一个由碳原子相互连接，形成一个三角形结构的小平面分子。在众多潜在地理想化合物中，就活力而言，[3]-轴烯具有最合适的LUMO能级，即最低未占据分子轨道。这意味着，在它的作用下，电子很容易从半导体聚合物基底中脱离出来，成为自由电荷，从而增加掺杂材料的导电性。在那些已知的科学文献当中，[3]-轴烯已然成为最强的有机半导体的掺杂剂。

[3]-轴烯实验，经过了量子化学计算的结果的证实，表明混合半导体聚合物，能够几十甚至上百倍地增加聚合物的导电性。科学家已经发现，当聚合物中掺杂剂的含量达到50%以上时，相分离将不会发生，但是聚合物的晶体结构却是逐渐改变的。这意味着，杂剂分子被包含在聚合物晶格中，并形成所谓的共晶。据Ivanov所说，共晶的形成正是新化合物高性能的主要原因之一。

我们所说的新掺杂剂，以及含氟掺杂剂和目前最常用的类似物，都是属于缺电子有机杂质的范畴。Dmitry Ivanov说道：“氟取代基是已知的能从分子的中心部分强烈地拉出电子，从而增加掺杂聚合物的整体导电性。在目前的研究工作中，我们发现掺杂剂的化学结构是完全不同的，并且，事实上，似乎是变得更好。我认为，掺杂剂与基体的完美结合是其性能的关键。这一完美的结合为制造具有性能更优的新型有机太阳能电池铺平道路。我们也在考虑有机场效应晶体管的生产。我认为这会对有机电子器件的发展起到很大的推动作用。”

参考原文链接：Scientists found a molecule that will help to make organic electronic devices.

文献链接：High Conductivity in Molecularly p-Doped Diketopyrrolopyrrole-Based Polymer: The Impact of a High Dopant Strength and Good Structural Order.

本文由编辑部曾庆辉提供素材，刘纯编译，李锐审核，点我加入材料人编辑部。

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