南方科技大學(xué) Aung Ko Ko Kyaw 教授團(tuán)隊(duì)最近在國際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究，首次做到在同一種雙極型有機(jī)半導(dǎo)體材料里，只用一種添加劑，就能同時(shí)提升電子和空xue的遷移率。這一突破不僅打破了傳統(tǒng)技術(shù)的局限，還為柔性電子、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新路徑，而背后多款核心儀器的助力，也成為破解技術(shù)謎題的關(guān)鍵。

有機(jī)半導(dǎo)體因?yàn)檩p便、成本低、能印刷、可彎曲等特點(diǎn)，一直被看作是下一代電子器件的潛力選手。但長期以來，它有兩個(gè)難題一直沒解決：一是電荷遷移率和摻雜效率比硅基半導(dǎo)體差不少；二是在雙極型有機(jī)半導(dǎo)體中，電子和空xue的傳輸很難同時(shí)變強(qiáng)。傳統(tǒng)方法得分別加 p - 型和 n - 型兩種摻雜劑，可這兩種摻雜劑在同一個(gè)體系里容易互相干擾，根本沒法讓器件性能再上一個(gè)臺(tái)階。

為了解決這個(gè)痛點(diǎn)，Aung Ko Ko Kyaw 教授團(tuán)隊(duì)想出了一個(gè)新辦法：把具有醌式結(jié)構(gòu)的 AQM 單元和經(jīng)典的 DPP 骨架結(jié)合起來，再通過調(diào)整 DPP 側(cè)翼基團(tuán)的電子親和性，成功合成了三種新型聚合物材料 ——FuAQM、SeAQM 和 PyAQM。其中，F(xiàn)uAQM 和 SeAQM 主要表現(xiàn)為 p - 型主導(dǎo)的雙極型行為，而 PyAQM 因?yàn)橛昧诉拎?，呈現(xiàn)出 n - 型主導(dǎo)的特性，剛好為研究添加劑的作用提供了理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

之后，研究團(tuán)隊(duì)挑選了三種不同類型的添加劑 —— 離子型的 TBAI、p - 型的 Zn (C6F5) 2 和 n - 型的 TeNF，分別對(duì)這三種聚合物進(jìn)行測試。沒想到，在 n - 型主導(dǎo)的 PyAQM 里，不管加哪種添加劑，都能讓電子遷移率最高提升約 400%，空xue遷移率提升近 100%，真正實(shí)現(xiàn)了電荷傳輸?shù)?“雙向提速”。這一現(xiàn)象在同類研究中還是第一次被發(fā)現(xiàn)，也徹底繞開了傳統(tǒng)摻雜技術(shù)對(duì)能級(jí)匹配的依賴。

要搞清楚這背后的原理，多款核心儀器可幫了大忙。研究團(tuán)隊(duì)用電子順磁共振測試儀檢測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)uAQM 和 SeAQM 會(huì)出現(xiàn)明顯的自由基信號(hào)，這是因?yàn)樗鼈儼l(fā)生了醌式–芳香式共振互變，而這種自由基會(huì)削弱聚合物主鏈的共軛性；但 PyAQM 不管加不加添加劑，都沒檢測到這種信號(hào)，這就說明這種協(xié)同增強(qiáng) 效應(yīng)并不是來自傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)移摻雜。

隨后，掠入射廣角 X 射線散射表征系統(tǒng)精準(zhǔn)分析了聚合物的主鏈結(jié)構(gòu)和分子排列情況，直接證明了 AQM 單元能幫助聚合物主鏈和添加劑形成有效的軌道耦合，而醌式結(jié)構(gòu)正是維持主鏈高度共軛、搭建高效電荷傳輸通道的關(guān)鍵。再加上密度泛函理論計(jì)算平臺(tái)的量化模擬，進(jìn)一步確認(rèn)了軌道耦合才是電子和空xue遷移率同步提升的核心原因，為后續(xù)的材料設(shè)計(jì)和添加劑選擇提供了堅(jiān)實(shí)的理論支持。

這項(xiàng)研究帶來的影響可不止于學(xué)術(shù)領(lǐng)域。對(duì)電子器件行業(yè)來說，新型雙極型有機(jī)半導(dǎo)體性能的大幅提升，會(huì)加速柔性電子、可穿戴設(shè)備、新型集成電路等產(chǎn)品的升級(jí)換代，讓這些產(chǎn)品變得更輕薄、更高效、成本更低。而對(duì)儀器設(shè)備行業(yè)來說，隨著這類新型材料的研發(fā)和應(yīng)用越來越廣泛，電子順磁共振測試儀、掠入射廣角 X 射線散射系統(tǒng)、電荷遷移率測試儀等專用儀器的需求會(huì)不斷增加。同時(shí)，為了滿足 “軌道耦合效率”“共軛結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性” 等新的檢測需求，這些儀器也需要朝著更適配柔性材料、微量樣品檢測，且能同時(shí)檢測多個(gè)參數(shù)的方向升級(jí)。另外，這次研究中 “理論計(jì)算 + 實(shí)驗(yàn)表征” 的結(jié)合模式，也可能催生出 “計(jì)算 - 表征一體化” 的智能儀器，為材料研發(fā)提供從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證的全流程服務(wù)。

未來，隨著這項(xiàng)技術(shù)的逐步落地，有機(jī)電子學(xué)和儀器設(shè)備行業(yè)有望實(shí)現(xiàn)更深度的融合，形成 “材料創(chuàng)新 — 儀器支撐 — 器件應(yīng)用” 的良性循環(huán)。這不僅能為我國高端電子制造產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化升級(jí)注入新動(dòng)力，也能幫助我國在柔性電子、新型半導(dǎo)體材料等新興領(lǐng)域占據(jù)更有利的位置。