【复材资讯】天津大学理学院胡文平/李立强教授团队在n型有机半导体的稳定性研究中取得进展

在国家自然科学基金项目（批准号：52225304、52121002、52073210、52073210）等资助下，天津大学理学院胡文平/李立强团队在n型有机半导体的稳定性研究中取得进展，相关研究成果以“利用维生素C提高n型有机半导体的性能和稳定性（Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C）”为题，于2024年6月27日在线发表于《自然•材料》（Nature Materials）杂志上。

半导体被誉为国家工业的明珠，集成电路的粮食。有机半导体具有可设计合成、溶液加工以及能带调控等天然优势，开辟了本征柔性、随形贴合、大面积制备的有机集成电路新赛道，是引领柔性显示、人机交互、可穿戴电子等未来万亿级产业的原创颠覆性材料。然而，n型有机半导体的稳定性一直是亟待克服的难题。这是因为绝大多数n型半导体分子对环境中的水、氧等物质极其敏感，特别容易被活性氧物种氧化，严重影响了所制备器件的电学性能和稳定性。尽管通过分子设计提高电子亲和能可以有效增强n型有机半导体的抗氧化能力，但器件运行过程中产生的有机自由基阴离子具有本征的高反应活性。因此，n型有机半导体的不稳定性似乎是“与生俱来的”，一直是有机电子学领域难以攻克的瓶颈难题。

为了解决这一难题，研究团队报道了一种利用维生素C稳定n型有机半导体的普适性策略，大幅提升了材料和器件的性能与稳定性。维生素C在级联反应过程中通过牺牲性的氧化反应和非牺牲性的三重态猝灭作用来清除材料内活性氧物种并抑制其再生，从而持久保护半导体分子免受氧化性损伤，并钝化材料和器件内潜在的电子陷阱。受到维生素C保护的n型有机场效应晶体管（OFETs）性能得到了很大改善，电子迁移率最高增加了38倍，操作稳定性和抗光氧化能力大幅提升，其优异的性能可在空气中保持超过255天。这种抗氧化策略在大面积OFETs阵列中表现出优异的均匀性和批次重复性。利用该策略制备的互补型反相器同样展现出更高的增益和更强的环境稳定性。这项研究为攻克n型有机半导体的稳定性难题提供了全新的思路和方法。维生素C作为其中的关键材料，其环保、低成本、使用便捷等特点，使该策略具有大规模工业化的潜力。

图 维生素C对有机半导体材料和器件的保护作用。（a）VC-PU处理前后的OFET结构示意图；（b）稳定策略的机制示意图；（c）本研究所采用的9种有机半导体分子式；（d）VC-PU处理前后不同有机半导体器件的有效保存时间（即为器件迁移率降低80%时的保存时间）

来源：国家自然科学基金委员会

论文链接：Yuan, L., Huang, Y., Chen, X. et al. Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01933-w

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