近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系尹毅教授、赵孝磊副教授团队与牛津大学Iain McCulloch教授团队合作，在n型有机半导体掺杂领域取得重要进展。相关研究成果以“High Efficiency n‐Type Doping of Organic Semiconductors by Cation Exchange”（基于阳离子交换的高效n型有机半导体掺杂）为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

01、研究背景

在有机电子器件领域，掺杂技术是调控材料电学性能的关键手段。与p型掺杂的成熟应用相比，n型掺杂技术的发展受限于电子传导性差、掺杂剂选择少等问题，成为该领域的重大挑战。本次研究通过引入阳离子交换机制，实现了高效的n型掺杂，保持材料的晶体结构同时显著提升了电导率，为n型掺杂技术的应用提供了新思路。

02、亮点成果

该研究的核心创新在于首次将阳离子交换机制引入n型有机半导体的掺杂过程，显著提高了掺杂效率和电导率。传统的n型掺杂方法通常通过直接向材料引入电子供体，但这容易破坏半导体材料的有序结构，从而影响其电荷传输性能。而本研究提出的阳离子交换掺杂技术，成功解决了这一问题，实现了更高效的掺杂，同时保持了材料的有序结构。

阳离子交换掺杂过程是通过将半导体材料N2200薄膜暴露于特定的掺杂剂（如DBN或DBU）与离子液体（如BMIM-TFSI、EMIM-TFSI）组合的环境中来实现的。首先，掺杂剂与N2200的共轭聚合物发生电子转移，形成中间态（如带电的极化子）。接着，通过引入离子液体中的阳离子（如BMIM+、EMIM+），中间态的阳离子被迅速替换，实现了高效的阳离子交换过程。这一过程确保了材料中的电荷传输效率大大提高，而材料的晶体结构得以保持不变。通过这一创新的掺杂机制，研究团队成功地在短时间内实现了对N2200的高效掺杂，材料的电导率提升至1 × 10⁻² S/cm，显著超越了现有的传统n型掺杂方法。实验结果表明，掺杂后的N2200薄膜不仅具备优异的电荷传输性能，而且其有序的晶体结构确保了器件在高电荷密度下依然具备优良的迁移率。

展示了阳离子交换过程如何有效掺杂n型半导体材料

掺杂后的N2200薄膜仍然保持高度有序的结构，有利于提高电子迁移率该成果为有机电子学器件的设计与制造提供了新的技术思路，特别在薄膜晶体管、钙钛矿太阳能电池和有机光伏器件等领域，未来有望广泛应用于高电子电荷密度和高迁移率的器件中。

03、研究团队

上海交通大学电子信息与电气工程学院赵孝磊副教授为该论文的第一作者兼通讯作者，其他通讯作者还包括上海交通大学尹毅教授和牛津大学Iain McCulloch教授。上海交通大学为论文的第一完成单位，牛津大学为第二单位。本研究得到了国家自然科学基金、强电磁技术国家重点实验室开放基金等项目的大力支持。

论文链接

Xiaolei Zhao,* Maryam Alsufyani, Junfu Tian, Yuanbao Lin, Sang Young Jeong,Young Woo Han, Yi Yin,* and Iain McCulloch*. High Efficiency n-Type Doping of Organic Semiconductorsby Cation Exchange. Advanced Materials 2024, 2412811. https://doi.org/10.1002/adma.202412811