有机半导体

organic semiconductor

有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。

有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、孔雀石绿、若丹明B等。

聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共轭型聚合物，如聚苯、聚乙炔、聚乙烯咔唑、聚苯硫醚等。

电荷转移络合物由电子给予体与电子接受体二部分组成，典型的有四甲基对苯二胺与四氰基醌二甲烷复合物。

有机半导体可用掺杂方法改变其导电类型和电导率。

国际研究团队在有机电子技术上获得新突破，使得有机半导体导电性增加了一百万倍！有机半导体近年来在医疗设备、太阳能等天然环保技术方面有着无量的前景。

这是普林斯顿大学、乔治亚理工学院和柏林洪堡大学的研究团队的共同成果，近期发表在《自然材料》杂志上。

有机半导体近年来因其天然、环保、柔韧性好等特点，在软性电子设备、显示屏、太阳能等领域有着广泛的应用。不过这些有机材料的电子特性一般不佳。

该研究小组发现了一种强大的化学掺合剂，可以向碳基有机材料中加入电子，使得有机材料导电性提升约一百万倍。

这种新型掺合剂由成对含钌元素的分子组成，需要通过紫外线激活。令研究者们激动的是，这些成分一旦被激活后，即便关闭了紫外线它们仍能保持被激活状态。

这一新掺合剂不但非常稳定，而且对固态和液态的有机半导体材料均适用。

该研究小组成员、普林斯顿大学的博士生Xin Lin在成果发布会上说：「有机半导体是生产软性设备的理想材料，令机械生产过程低温、节能。」

有机半导体在很多新兴产业中具有不可估量的用途，比如能为医疗设备带来革命性变化，大幅提升太阳能技术等。许多有机材料受人青睐，如DNA材料、真丝等，有的材料甚至具有自我修复功能。

这些新兴技术将提高很多设备的性能、使其更环保，或让佩戴的人体更舒适。也许不远的一天，人们将发现自己和电子设备是如此完美地贴合！

导语：从医疗设备领域到太阳能技术领域，有机电子学都具有极其广泛的应用。一个国际研究小组已经发现了一种新工艺，能够百万倍地提高有机半导体的导电性。这是令人震惊的新发现。

有机电子

有机电子学是科技领域中一个不断成长的学科。这一学科将有机材料与先进技术相结合，创造出许多独特的性能。由普林斯顿大学，乔治亚理工学院和柏林洪堡大学的研究人员组成的国际研究小组不久前在《Nature Materials》杂志上发表了一项探索有机半导体的新研究。

有机半导体正越来越频繁地用于未来科技领域，如柔性电子器件，高级器件显示器，甚至是太阳能转换器。

图 | 紫外线激发半导体中的分子反应。（图片来源：Jing Wang /Xin Lin/普林斯顿大学）

然而，有机材料并没有因为其有用的电子特性而为人所知。为了改变这一局面，科学家们将这些材料与特定的化学物质相结合，想尽办法来提高这些材料的电子特性。在上述研究中，研究人员发现了一种强有力的新型有机半导体掺杂剂，这种掺杂剂将电子添加到碳基材料中，使其电导率提高了大约一百万倍。

新的掺杂剂由含钌分子对组成，而研究人员用紫外线来激活这些分子对。令研究人员惊讶的是，这些掺杂剂一旦被激活，即使在紫外线关闭之后，它们仍一直处于激活状态，从而进入“动力学稳态”。

先进的半导体

这种极好的新型掺杂剂不仅异常稳定，而且可以在固体或溶液状态的有机半导体中工作。普林斯顿大学博士生兼研究小组成员辛林在接受媒体采访时说：“有机半导体是用节能低温工艺制造柔性器件的理想材料”。

新兴产业对有机半导体的需求量很大。有机半导体有革新医疗设备， 大幅度改进太阳能技术等潜力。如今，许多新材料由蜘蛛丝编织而成，它们都具有真实的DNA， 有的甚至具有自愈功能。而有机半导体材料就是其中之一。

这些新兴技术有望使我们的设备更高效，对环境更友好，并为人体提供更自然的体验。这不一定能使我们和机器融为一体，虽然埃隆·马斯克认为这是必要的。 但无论如何，科技正以造福于人类的方式与有机材料相结合。随着设备的更新换代，我们会发现自己与它们的距离越来越近——这是之前想都不敢想的事。翻译：李红玲

编辑：Soybean

审校：Soybean

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热爱因科技而发生

有机太阳电池由p-型有机半导体（p-OS）给体和n-型有机半导体（n-OS）受体共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成，具有结构简单、重量轻、成本低以及可采用溶液加工方法制备成柔性和半透明器件等优点，成为了近年来新能源研究领域的研究热点。其中p-OS给体光伏材料包括共轭聚合物和有机小分子两类材料。与聚合物相比，小分子材料具有确定的分子结构、无合成批次差别、易提纯等优点，因此有机小分子给体光伏材料也引起了人们的广泛关注。全小分子非富勒烯有机太阳能电池使用p-OS小分子给体和n-OS小分子受体，同时具有小分子给体材料和非富勒烯小分子受体材料的优点，最近成为有机太阳能电池领域的一个重要研究方向。

在中国科学院先导项目的支持下，中科院化学研究所有机固体重点实验室李永舫课题组研究人员最近在p-OS小分子给体材料和全小分子非富勒烯有机太阳电池的研究中取得系列研究进展，使全小分子有机太阳电池的能量转换效率突破了10%。

p-OS小分子给体材料多采用A-π-D-π-A型（其中D代表给体结构单元、A代表受体结构单元）线性分子结构。他们首先在其开发的用于非富勒烯聚合物太阳电池的J-系列高效聚合物给体光伏材料的基础上，将J-系列聚合物小分子化，合成了基于苯并二噻吩（BDT）为给体单元、氟取代三氮唑（FBTA）为受体单元、乙腈酯基为末端受体单元的p-OS小分子H11和H12（分子结构见图1）。以H11为给体、n-OS小分子IDIC为受体的全小分子有机太阳电池开路电压（Voc）达到0.977V，能量转换效率（下面简称效率）达到9.73%（J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.）。

n-OS小分子受体材料具有各向异性的共轭骨架的特点，因而优化p-OS的分子结构来调节全小分子活性层的形貌以形成良好的给体-受体纳米尺度相分离的互穿网络结构，是提高全小分子有机太阳电池光伏性能的重要手段。他们以BDT为中心给体单元、将寡聚噻吩结构引入p-OS分子结构中，合成了两个p-OS分子SM1和SM2（分子结构见图1）。基于SM1:IDIC的全小分子有机太阳电池的效率达到10.11%（Chem Mater. 2017,29,7543–7553.），这是全小分子非富勒烯有机太阳电池效率首次突破10%。

在基于噻吩取代BDT的二维共轭聚合物中，硅烷基侧链可以有效地降低聚合物的HOMO能级，增强吸收和提高空穴迁移率。为了进一步提升全小分子有机太阳电池的光伏性能，他们最近又将硅烷基噻吩为侧链的二维BDT单元引入到p-OS小分子给体材料中，合成了两个新的p-OS小分子给体光伏材料H21和H22（分子结构见图1），并研究了不同末端受体单元对材料物理化学性质及其光伏性能的影响。基于H22：IDIC的全小分子有机太阳电池的光电转换效率进一步提升到10.29%。这一结果最近发表在《先进材料》（Adv.Mater.,2018,30, 1706361.）上。

图：p-OS小分子给体和n-OS小分子受体IDIC的分子结构、全小分子有机太阳电池的器件结构以及基于各给体材料全小分子有机太阳电池的能量转换效率