【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學電子與電氣工程系Aung Ko Ko Kyaw教授團隊在學術期刊Advanced Materials發表題為Simultaneous Enhancement of Electron and Hole Mobility in para-Azaquinodimethane-Derived Polymer by Individually Applying Various Additives的研究論文。該工作在雙極型有機半導體電荷輸運調控方面取得進展，首次實現了在同一材料體系中，僅通過單一添加劑(兼容離子型、p-型與n-型)即可同步提升電子與空穴遷移率，為有機電子器件的發展提供了全新思路。
有機半導體因其輕質、低成本、可印刷、柔性和可穿戴等優勢，被認為是下一代電子器件的重要候選材料。然而，其電荷遷移率和摻雜效率長期受限，顯著落后于硅基半導體。尤其是在雙極型有機半導體中，電子與空穴傳輸往往難以協同增強，傳統摻雜機制高度依賴能級匹配，需要分別引入p-型和n-型摻雜劑，且二者在同一體系中相互干擾，嚴重制約器件性能的進一步提升。
針對這一關鍵瓶頸，研究團隊引入具有醌式結構的para-azaquinodimethane(AQM)單元，并將其與經典的吡咯并吡咯二酮(DPP)骨架相結合，通過調控DPP側翼基團的電子親和性，設計合成了三種新型聚合物材料：FuAQM、SeAQM 和PyAQM。其中，FuAQM和SeAQM分別引入呋喃和硒吩，表現為p-型主導的雙極型行為；而采用吡啶的PyAQM則呈現n-型主導特性，為系統研究添加劑效應提供了理想模型體系。
研究人員進一步選取了離子型添加劑TBAI、n-型添加劑TeNF，以及p-型添加劑Zn(C6F5)2，并對三種聚合物進行系統研究。結果顯示，在p-型主導的FuAQM和SeAQM中，添加劑會削弱電荷傳輸性能；而在n-型主導的PyAQM中，無論添加劑類型如何，電子和空穴遷移率均實現同步顯著提升，其中電子遷移率最高提升約400%，空穴遷移率提升近100%。這一現象突破了傳統電子轉移摻雜理論的認知邊界，在同類研究中尚屬首次報道。
機理研究表明，該協同增強效應并非源于電子轉移摻雜。電子順磁共振測試顯示，FuAQM和SeAQM均表現出明顯信號，而PyAQM無論是否加入添加劑均未觀測到信號，表明其未發生電子轉移，與“電子轉移機制無法同步增強電子與空穴遷移率”的認知一致。FuAQM和SeAQM的信號源于醌式–芳香式共振互變生成的自由基，削弱了主鏈共軛性，且SeAQM中添加劑會進一步加劇該效應。相比之下，PyAQM的n-型特性穩定了醌式結構，維持了高度共軛的主鏈結構。
結合密度泛函理論(DFT)計算和GIWAXS表征，研究團隊提出了一種新的作用機制：AQM單元能夠促進聚合物主鏈與添加劑之間形成有效的軌道耦合，構建新的電荷傳輸通道，從而實現電子與空穴傳輸的同步增強 。進一步對芳香化對比體系的計算表明，醌式結構是實現強軌道耦合的關鍵。
總之，該研究證明，通過分子設計增強主體聚合物與客體添加劑之間的軌道耦合，可繞開傳統摻雜機制的局限，在單一雙極型有機半導體中實現p/n遷移率的協同提升。這一策略對離子型、p-型和n-型添加劑均具有良好兼容性，為高性能雙極型有機半導體材料及互補邏輯電路的發展提供了新的設計原則和評價指標。研究成果有望推動有機電子學在柔性電子、可穿戴器件和新型集成電路等領域的進一步應用。
論文共同第一作者包括南方科技大學校長卓越博后劉謙、東京科學大學JSPS研究員何宛兒及南科大材料科學與工程系博士生張雙哲。南方科技大學為論文第一單位，Aung Ko Ko Kyaw教授為主通訊作者，劉謙博士、東京科學大學Tsuyoshi Michinobu教授、昆士蘭科技大學Prashant Sonar教授為共同通訊作者。本研究還得到了南方科技大學陳曉龍教授、李磊教授等的支持。
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