​南方科技大学等今日Nature谈掺杂

第一作者：郭晗

通讯作者：Xugang Guo(郭旭岗), Antonio Facchetti

通讯单位：南方科技大学 瑞典林雪平大学

【研究亮点】

1、使用空气稳定的前体型分子掺杂剂对有机半导体进行催化N(电子)掺杂。

2、将过渡金属（Pt、Au、Pd）作为气相沉积纳米粒子或有机金属配合物（Pd₂(dba)₃）掺入反应，在更短的掺杂时间内极大地增加了掺杂效率η和电导率（高于100S cm⁻¹）。

【主要内容】

有机半导体的N掺杂对于开发发光二极管、太阳能电池、薄膜晶体管和热电器件具有重要意义。尽管科研人员广泛研究了基于溶液的N掺杂，但仅开发了少数空气稳定的n掺杂剂。最突出的是有机氢化物（例如苯并咪唑衍生物），有机自由基的二聚体（例如19电子有机金属夹心化合物），以及单价/多价阴离子（例如OH^-、F^-和O_x^2-）。这些空气稳定的掺杂剂在其初始形式时具有高电离势，因此不能直接将电子转移到具有低电子亲和力的n掺杂有机半导体。过渡金属催化的C-H和C-C键裂解反应广泛用于有机合成，最常见的过渡金属属于8-11族元素，催化剂以纳米颗粒和有机金属配合物的形式存在。因此，实际问题是过渡金属催化剂是否可以用于前体类型的掺杂剂，它们是否与不同的半导体兼容，是否可以提高整体掺杂效率/速率，以及它是否具有技术意义。

鉴于此，南方科技大学郭旭岗教授课题组联合瑞典林雪平大学Antonio Facchetti等人探索了三元系统中的掺杂过程，包括苯并咪唑基氢化物分子掺杂剂 (N-DMBI-H)⁵ 和10/11族过渡金属催化剂，以金属纳米粒子和有机金属配合物[Pd₂(dba)₃]的形式，并使用各种电子传输有机半导体来验证这一思路。实验结果证明这种新型过渡金属催化n掺杂概念可以实现快速、高效和高n掺杂的π共轭聚合物和小分子。过渡金属催化剂的使用通过促进C-H键断裂来促进掺杂剂前体的反应性，并提供与未催化反应相同的反应产物。研究人员发现使用Ag催化的n掺杂聚合物基钙钛矿太阳能电池（19%）比未掺杂的聚合物基电池（9%）提高了10%的功率转换效率。从而证明本文设计的过渡金属催化剂适用于需要高电荷载流子密度和/或高效电子注入/传输的有机热电器件、薄膜晶体管和钙钛矿太阳能电池设备。因此，这种新型过渡金属催化n掺杂的概念不仅可适用于现有的n掺杂剂，而且还可以用于扩展具有增强空气稳定性和还原能力的“理想”n掺杂剂的设计空间。

Fig. 1 | The TM catalysed n-doping concept.

Fig. 2 | AuNP catalysed n-doping of PDTzTI with N-DMBI-H.

Fig. 3 | The generality of metal-catalysed N-DMBI-H doping method.

Fig. 4 | AuNP-catalysed N-DMBI-H doping mechanism.

【文献信息】

Guo, H., Yang, CY., Zhang, X. et al. Transition metal-catalysed molecular n-doping of organic semiconductors. Nature 599, 67–73 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03942-0