胡文平-李立强团队Nature Materials发文：利用维生素C提高n型有机半导体的性能和稳定性
2024-06-29
近日，物质绿色创造与制造海河实验室科研骨干、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新进展。研究成果发布在国际著名期刊Nature Materials《自然·材料》上，题目为“Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C”。实验室为论文完成单位。论文通讯作者是胡文平教授和李立强教授，第一作者是苑力倩博士，黄忆男博士和陈小松副研究员。
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、可溶液加工、可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一个亟待克服的难题。这是因为绝大部分n型半导体分子对环境中的水、氧等物质非常敏感，尤其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。
为了攻克这一难题，胡文平-李立强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）性能得到了很大的改善，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、使用便捷的特点，使该策略具有大规模工业化的潜力。
该项目研究同时获得国家杰出青年项目(52225304), 国家自然科学基金创新研究群体项目(52121002)，国家重点研发计划（2018YFA0703200），国家自然科学基金面上项目(52073210), 国家自然科学基金青年项目(52073210)和中国博士后科学基金(2023M742591)等项目的资助。
论文信息：
Liqian Yuan#, Yinan Huang#, Xiaosong Chen#, Yixuan Gao, Xiaonan Ma, Zhongwu Wang, Yongxu Hu, Jinbo He, Cheng Han, Jing Li, Zhiyun Li, Xuefei Weng, Rong Huang, Yi Cui, Liqiang Li* and Wenping Hu*
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.
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、可溶液加工、可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一个亟待克服的难题。这是因为绝大部分n型半导体分子对环境中的水、氧等物质非常敏感，尤其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。
为了攻克这一难题，胡文平-李立强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）性能得到了很大的改善，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、使用便捷的特点，使该策略具有大规模工业化的潜力。
该项目研究同时获得国家杰出青年项目(52225304), 国家自然科学基金创新研究群体项目(52121002)，国家重点研发计划（2018YFA0703200），国家自然科学基金面上项目(52073210), 国家自然科学基金青年项目(52073210)和中国博士后科学基金(2023M742591)等项目的资助。
论文信息：
Liqian Yuan#, Yinan Huang#, Xiaosong Chen#, Yixuan Gao, Xiaonan Ma, Zhongwu Wang, Yongxu Hu, Jinbo He, Cheng Han, Jing Li, Zhiyun Li, Xuefei Weng, Rong Huang, Yi Cui, Liqiang Li* and Wenping Hu*
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.
