揭示有机半导体中电子如何屏蔽导电杀手的物理原理

加利福尼亚州的硅谷和犹他州的硅坡是以与半导体最相关的元素命名的，半导体是计算机革命的支柱。任何计算机化或电子化的东西都依赖于半导体，半导体是一种在特定条件下具有导电特性的物质。传统的半导体是由硅等无机材料制成的，这些材料需要大量的水和能源才能生产

多年来，科学家们一直试图使用有机材料（如聚合物）制造对环境友好的替代品。聚合物是通过将小分子连接在一起形成长链而形成的。聚合工艺避免了传统半导体制造中所需的许多能源密集型步骤，并且使用更少的水、更少的气体和化学品

它们的制造成本也很低，可以将柔性电子器件、可穿戴传感器和生物相容性设备引入体内。问题是，它们的导电性虽然很好，但不如无机材料高

所有电子材料都需要掺杂，这是一种将分子注入半导体以提高导电性的方法。科学家使用称为掺杂剂的分子来定义电路的导电部分。由于缺乏一致性，在有机材料中掺杂一直困扰着科学家——有时掺杂剂会提高导电性，而有时则会使导电性变差

在一项新的研究中，犹他大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员发现了驱动掺杂剂和聚合物相互作用的物理现象，这些物理现象解释了导电性不一致的问题

该团队发现，带正电的载流子会从聚合物链中拉出带负电的掺杂剂，阻止电流流动并降低材料的导电性。然而，他们的实验表明，当向系统中注入足够的掺杂剂时，电子的行为发生了变化，成为抵抗吸引力的集体屏障，使其余电子畅通无阻

该研究的主要作者、美国大学材料科学与工程副教授Zlatan Akšamija说：“理想的情况是将一堆自由电子倾倒到材料中进行导电工作。当然，我们不能——我们必须使用分子来提供电子。”。“我们的下一步是找到可以削弱这种相互作用并使电导率更高的掺杂剂/有机材料组合。但直到现在，我们还没有很好地理解这种相互作用，无法解决它。”

这项研究发表在《物理评论快报》杂志上

掺杂果汁的导电性电是一种电子流。硅本身就是一个坏导体——外轨道上的四个电子与附近的硅原子形成完美的共价键，不留下自由电子。这就是掺杂的作用。向硅中添加杂质可以做两件事：向系统中贡献额外的电子或减少系统中的电子，从而产生称为空穴的带正电载流子

例如，砷是一种常见的掺杂剂，因为它的外轨道上有五个电子——四个电子与硅结合，第五个电子保持自由。最终，掺杂剂将贡献足够的自由电子，以允许电流流过硅

Akšamija解释说，与硅不同，有机材料的聚合物链结构无序，导致掺杂剂的额外电子与聚合材料之间的复杂相互作用

“想象一下，聚合物就像一碗意大利面条。它们并不是真的完美堆叠。正因为如此，电子被迫在电压的推动下从聚合物的一个部分跳到另一个部分，然后跳到下一个链上，”他说

每种掺杂剂一次向系统中贡献一个电子，这意味着，起初，跳跃通过聚合物的电子会被稀释。如果一个电子沿着链跳跃并经过掺杂剂附近，相反的电荷将相互吸引，导致电子偏离轨道并破坏电流

这项研究的发现是，这种行为随着系统中电子的临界质量而改变——当超过阈值时，电子群会集体做出反应。当一组电子通过掺杂剂时，一些电子被拉向电荷，形成一个屏障，阻止其余电子感受到相互作用

Akšamija说：“这就是屏蔽真正起到阻挡掺杂剂作用的地方。载流子正在屏蔽掺杂剂，这使得其他载流子更容易更有效地跳跃。本文描述了发生这种情况的物理机制。”

实验和理论麻省大学阿默斯特分校的化学家进行了物理实验。他们使用了两种结构或多或少无序的聚合物。然后他们用溶剂把它涂在一层薄薄的玻璃上。然后他们用碘蒸气掺杂聚合物。碘的一个好处是它不稳定——随着时间的推移，聚合物会随着蒸发而逐渐失去掺杂剂分子

“这对实验很有用，因为我们可以在24或48小时内持续测量聚合物的电导率。该协议为我们提供了一条电导率曲线，作为材料中剩余掺杂剂数量的函数，”UMASS Amherst化学教授、该研究的合著者Dhandapani Venkataraman说

“这是一个巧妙的技巧，可以从低浓度、中浓度到高浓度的掺杂剂获得几乎四个数量级的导电电荷……一直到基本上恢复到其原始绝缘状态。”

化学家们对相同的两种不同版本进行了实验