on style="white-space: normal; margin-top: 10px; margin-right: 8px; margin-left: 8px; line-height: 2em;">n型摻雜，是通過向有機半導體材料中加入少量具有還原活性的物質（即n型摻雜劑），從而在有機半導體中引入額外的電子，以實現有機半導體中載流子（電子）濃度的精準調控和器件性能的提升。高性能的n型摻雜劑是實現有效n型摻雜的必要條件，然而具有強摻雜能力、且空氣穩定的n型摻雜劑十分匱乏，成為目前制約n型摻雜發展的主要因素。為獲得強的摻雜能力，多采用具有強還原能力的物質，如活潑金屬鈉、強有機電子給體W2（hpp）4等，但這類化合物對水、氧敏感，不易制備和存儲。此外，n型摻雜劑與有機半導體材料間較差的混溶性，也降低了摻雜效率并限制了摻雜體系電學性能的提升。近期，北京大學裴堅-王婕妤課題組基于強σ電子給體N-雜環卡賓，發展了一類空氣穩定、具有強摻雜能力的熱活化n型摻雜劑——N-雜環卡賓二氧化碳加合物（DMImC），實現了對有機半導體材料的高效、可控n型摻雜。作者發現N-雜環卡賓能有效地摻雜n型有機半導體材料，并顯著提升其熱電性能。為避免直接使用空氣敏感的N-雜環卡賓，作者使用N-雜環卡賓二氧化碳加合物（DMImC）作為卡賓前驅體，其可經熱活化原位釋放具有摻雜活性的N-雜環卡賓，以兼得高空氣穩定性及強摻雜能力。同時，DMImC較小的分子體積使其能在溶液加工過程中有效地滲入聚合物薄膜，增強其與聚合物間的混溶性。圖1. 熱活化n型摻雜劑DMImC摻雜n型聚合物FBDPPV示意圖。DMImC在室溫下不與水、氧及有機半導體材料反應，展現出了極佳的穩定性；而在加熱至159 ℃后發生脫羧反應，原位生成N-雜環卡賓，可有效地摻雜n型有機半導體材料，如FBDPPV、N2200和PCBM，展現出強的n型摻雜能力。通過改變溶液中DMImC的濃度可有效控制聚合物薄膜中DMImC的含量，并實現對薄膜中的載流子（電子）濃度的調控。此外，隨聚合物薄膜中摻雜劑含量的增加，薄膜依然保持均一的形貌，并未出現相分離，證明DMImC與聚合物間存在良好的混溶性，保證體系獲得較高的摻雜效率。掠入射X射線衍射證明DMImC的加入并不會破壞聚合物間的π-π堆積距離，使得摻雜后的薄膜保持高效的鏈間電荷傳輸性質。因此，DMImC摻雜的n型有機半導體材料獲得了優異的熱電性能。例如，摻雜的FBDPPV薄膜獲得了高達8.4 ± 0.6 S cm-1的電導率和16 W m-1 K-2的功率因子。圖2. DMImC摻雜能力及其摻雜FBDPPV薄膜熱電性能表征。本工作中作者開發了一類全新的、基于N-雜環卡賓的熱活化n型摻雜劑，為設計空氣穩定、強摻雜能力的n型摻雜劑提供了新的思路，并將推動以有機熱電器件為代表的n型摻雜有機半導體器件的發展。以上研究成果近日發表于Angewandte Chemie International Edition，論文的第一作者是北京大學化學與分子工程學院博士研究生丁一凡，北京大學裴堅教授為通訊作者。導師介紹:
裴堅，北京大學化學與分子工程學院教授，研究方向為有機共軛高分子材料的合成、表征及器件性能研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun.等國際知名期刊上發表200余篇論文。課題組近期重點關注新型共軛高分子的設計與合成、共軛高分子的多尺度聚集、高性能高分子光電器件的開發。
課題組簡介：
https://www.chem.pku.edu.cn/pei/index.htmYi-Fan Ding, Chi-Yuan Yang, Chun-Xi Huang, Yang Lu, Ze-Fan Yao, Chen-Kai Pan, Jie-Yu Wang and Jian Pei，Thermally Activated n-Doping of Organic Semiconductors Achieved by N-heterocyclic Carbene Based Dopant，Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202011537
