有機半導體新突破：效率翻倍！

導讀

近日，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員們發現了一種新的簡單調整方案，它可以讓有機電子器件的效率翻倍。OLED顯示器、塑料基太陽能電池、生物電子器件等技術將從這項「雙摻雜」聚合物的新發現中獲益。

背景

我們日常使用的大部分電子器件是基於無機半導體，例如硅。一項稱為「摻雜（doping）」的工藝，對於它們的功能來說至關重要。摻雜是半導體製造工藝中，為純的本徵半導體引入雜質，使其電氣、光學、結構屬性被改變的過程，例如將雜質摻入半導體中增加其導電性。引入的雜質與要製造的半導體種類有關。摻雜工藝保證了太陽能電池與LED顯示屏中的各種元器件的工作。

然而，在無機半導體之外，近年來有機半導體也備受科學界追捧。顧名思義，有機半導體是由有機材料製成。從導電塑料和聚合物被發現（這個領域的研究獲得了2000年的諾貝爾獎）時起，有機電子的研發被迅速地加速。有機半導體具有成本低、易製造、輕量、柔性、透明、環境友好等優勢。

柔性、有機、可生物降解的電子器件（圖片來源：斯坦福大學 / Bao lab）

在有機半導體中，OLED顯示屏是一個已經上市的例子。例如，最新一代的智能手機已經集成了OLED顯示屏。

下圖所示：德國弗勞恩霍夫協會開發的採用OLED技術的智能眼鏡顯示屏

（圖片來源：弗勞恩霍夫協會電子射線和等離子技術研究所）

除此之外，有機半導體也帶來了一些其他的應用，例如：

柔性、透明的有機太陽能電池（圖片來源：MIT）

柔性的有機閃速存儲器（圖片來源：KAIST）

然而，迄今為止，其他的應用還沒有得到完全實現或者說上市，其中部分的原因是：目前有機半導體的效率還不夠高。

對於有機（碳基）半導體來說，「摻雜」工藝也非常重要。有機半導體的「摻雜」是通過所謂的「氧化還原反應」來進行的。這意味著摻雜劑分子接收了來自半導體的電子，增加了半導體的導電性。與半導體起化學反應的摻雜劑越多，導電性就越高。導電性至少會高到一定的限度，在這個限度之後，導電性會降低。目前，每個摻雜劑分子只能交換一個電子，這一事實決定了摻有雜質的有機半導體的效率極限。

創新

但是，前不久，在一篇發表在科學期刊《自然材料（Nature Materials）》上的論文中，Christian Müller 教授及其研究小組和來自其他七個大學的同事們一起演示了向每個摻雜劑分子中轉移兩個電子。

論文第一作者、研究小組中的博士生 David Kiefer 表示：「通過這種『雙摻雜』工藝，半導體的效率可以翻倍。」

（圖片來源：Johan Bodell/查爾姆斯理工大學）

技術

Christian Müller 稱，這項創新並不是建造在某些偉大的技術成就之上。相反，它就是一個「見他人之所未見」的案例。

查爾姆斯理工大學聚合物科學教授 Christian Müller 表示：「整個研究領域都一直在完全集中精力研究每個分子只進行一次氧化還原反應的材料。我們選擇去研究一種不同的聚合物，它具有更低的電離能量。我們觀察到，這種材料可將兩個電子轉移到摻雜劑分子中。實際上，它非常簡單。」

價值

這項發現有望進一步提升目前沒有足夠市場競爭力的技術。其中一個問題就是：聚合物導電性不夠好。所以，為了實現更好的聚合物基電子器件，科研人員一直集中精力研究如何讓摻雜技術變得更高效。現在，這種聚合物導電性翻倍，同時只採用相同劑量的摻雜劑材料，應用在與過去相同的表面上，代表了幾種新興技術商業化所需的臨界點。

Christian Müller 表示：「對於OLED顯示器來說，這項開發已經進展得足夠遠，它們已經上市。但是，其他技術要想也取得成功並走向市場，還需要進一步開發。例如，對於有機太陽能電池或者有機材料製成的電子電路來說，我們需要將特定的元器件摻雜到與硅基電子器件同樣的程度。我們的方案在正確的方向上邁出了一步。」

下圖展示了有機電子器件的示例：柔性太陽能電池（左, 由Epishine AB提供）、電子紙（中）、壓電織物（右）。

（圖片來源：Johan Bodell/查爾姆斯理工大學）

這項發現提供了基本知識，並將幫助數以千計的研究人員在柔性電子、生物電子和熱電領域取得進展。Christian Müller 的研究小組以聚合物技術為中心，研究了幾種不同的應用領域。另外，他的小組也在開發導電織物與有機太陽能電池。

下圖所示：「雙摻雜」將提升柔性太陽能電池（由Epishine AB提供）的採光效率。

（圖片來源：Johan Bodell/查爾姆斯理工大學）

關鍵字

半導體、柔性電子、有機電子、OLED

參考資料

【1】http://www.mynewsdesk.com/uk/chalmers/pressreleases/breakthrough-in-organic-electronics-2816939?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=Subscription&utm_content=pressrelease

【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41563-018-0263-6

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