前沿：北京大学裴坚教授团队 Nature | 实现高分子半导体亚微米级光控精准掺杂- 大数跨境

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前沿：北京大学裴坚教授团队 Nature | 实现高分子半导体亚微米级光控精准掺杂

两江科技评论

2025-06-05

导读：近日，北京大学裴坚教授团队首次开发出一类可光激活的掺杂剂前体分子，该类分子在光照条件下可原位转化为高活性掺杂剂，实现对有机高分子半导体的高效、精准、原位掺杂。

文章来源：高分子科技、化学与材料科学

半导体技术是驱动信息革命的核心力量。在半导体集成电路制造过程中，区域掺杂的空间精度直接决定晶体管性能、电路集成度及器件可靠性等关键指标。随着器件尺寸不断缩小，对区域掺杂精度的要求持续提升。然而，有机高分子半导体的传统掺杂策略面临两大根本性挑战：其一，掺杂剂与半导体接触即发生不可逆反应，难以实现高分辨率的精确控制；其二，现有的区域掺杂方法（如掩模蒸镀、喷墨打印等）工艺复杂、成本高，且精度和重复性无法满足高密度集成的要求。因此，缺乏高精度区域掺杂技术已成为制约有机高分子半导体在柔性显示、生物传感以及集成光电器件等前沿应用中的关键瓶颈。　

近日，北京大学裴坚教授团队首次开发出一类可光激活的掺杂剂前体分子（iPADs, inactive photoactivable dopants），该类分子在光照条件下可原位转化为高活性掺杂剂（PADs, photoactivable dopants），实现对有机高分子半导体的高效、精准、原位掺杂。该策略突破了传统方法在区域精度与掺杂可控性方面的限制，首次实现了有机高分子半导体亚微米级超高精度n型掺杂，获得了超过30 S/cm的优异电导率，并在此基础上实现有机集成电路的精准光控加工，为有机电子产业带来革命性突破。

2025年5月28日，相关工作以“Light-triggered regionally controlled n-doping of organic semiconductors”为题发表在Nature上。该论文通讯作者为北京大学化学与分子工程学院裴坚教授，第一作者为北京大学博士毕业生王馨怡。

裴坚教授团队创新性地开发出光控有机高分子半导体掺杂技术，在基础研究和应用技术方面实现了三项核心突破（图1）：

创新掺杂机制：通过构建具备“热惰性/光激活”特性的掺杂剂前体分子（iPADs），首次实现了有机高分子半导体掺杂过程的精准可控。该分子在未受光激发前保持化学反应惰性，可兼容光刻胶烘烤、热蒸镀等主流微纳加工工艺；经紫外光照射后快速转化为高活性掺杂剂（PADs），实现对共轭高分子半导体的高效n型掺杂，电导率提升最高可达9个数量级。

普适性与高效率兼备的掺杂能力：现已开发出多种掺杂剂前体分子体系，成功应用于10余种典型有机高分子半导体，普遍实现电导率提升6个数量级，极大拓展了有机高分子半导体材料的应用场景。

针对有机集成电路实现亚微米级图案化掺杂：该光控掺杂技术与现有半导体工业的光刻流程高度兼容，首次在有机高分子材料中实现亚微米尺度的区域掺杂精度，为高性能有机集成电路的构建提供了关键支撑，具备重要的工艺可行性与产业转化潜力。

图文介绍

图1. 光触发的掺杂方法。a.光激活掺杂机制以及掺杂剂的基本化学结构；b.可被掺杂的部分高分子半导体化学结构；c. 光激活掺杂过程示意图。有机高分子半导体与可光激活掺杂剂（iPADs）在溶液中共混，通过旋涂或滴涂的方式制备成薄膜，随后在区域选择性光激活下，iPADs转化为高活性掺杂剂（PADs），实现有机高分子半导体高精度n型掺杂。

开发出一类可被紫外光激活的“光响应掺杂剂”，可通过6π电环化反应生成活性掺杂剂，再通过不可逆的氢负离子转移过程将电子注入有机半导体，实现高效n型掺杂。DFT计算显示，iPADs在室温下经紫外照射即可迅速转化为PADs，而单纯加热并不会触发此反应。以FBDPPV为模型材料，实验发现：iPAD-1在365 nm紫外照射下诱导出极强的聚极子吸收，表明成功实现掺杂（图2a）；而在未照射或加热条件下则无任何反应（图2b）。进一步的EPR测试验证了电子注入，且自由载流子浓度与光照剂量成正比（图2c、2d），达到了10¹⁹cm^-3的高掺杂水平。UPS测试表明掺杂后材料的费米能级明显上移（图2e），而XPS则检测到PAD⁺的特征氮信号（图2f），并显示掺杂可深入至1 μm以上的膜厚。此外，X射线散射、AFM和晶体管性能表明，iPADs与FBDPPV具有良好的相容性，不影响分子堆积。

图2. 光触发的 n 掺杂。

进一步验证了光触发掺杂策略的普适性，使用四种不同的光响应掺杂剂进行实验。通过UV-vis-NIR光谱和DFT计算发现，这些iPAD的掺杂活性依次为：iPAD-2 > iPAD-1 > iPAD-3 ≈ iPAD-4（图3a,b）。其中，iPAD-2因反应性更高、分子体积更小，使其与FBDPPV共混后的薄膜导电率最高，达1.1S/cm，远高于其他iPAD（图3c）。随后，研究团队将该方法拓展至十种不同LUMO能级的n型有机半导体（OSCs）。未照射前，iPAD与OSCs共混薄膜导电率几乎与纯材料一致；但经紫外照射后，导电率提升了3至9个数量级，无需额外热处理（图3d,e）。通过调节光照剂量和掺杂剂比例，可实现对掺杂浓度和费米能级的双重精确调控。其中，TBDOPV-T/iPAD-2体系在1.1J/cm²紫外照射下导电率达31S/cm，是目前光诱导掺杂中性能最高的体系之一。这些结果表明，iPADs不仅具备强掺杂能力，还适用于多种材料，具备良好的通用性。

图3. 光触发 n 掺杂的普遍性。

提出了一种简便高效的光触发掺杂策略，设计出一类惰性但可被紫外光激活的掺杂剂（iPADs），通过光照将其转化为高活性的n型掺杂剂（PADs），实现了对有机场效应晶体管（FET）等器件通道和接触区域的可控区域掺杂。该方法不仅具有优异的热稳定性（可耐受200°C）、空气稳定性（固态下超半年）、和优良的溶解性，还能显著提升器件性能，如提高FET的载流子迁移率（最高达0.71cm²V⁻¹s⁻¹）、降低表面陷阱密度和接触电阻（从10kΩcm降至1.5kΩcm），并将导电区域图案分辨率提高至1μm（图4i,j）。此外，该策略无需加热或后处理，适用于多种n型有机半导体，导电性可调，适合用于逻辑电路、热电器件甚至柔性电子。研究还演示了通过光照在柔性基底上构建导线与LED控制电路，显示出该策略在柔性和大面积电子集成中的应用潜力。