摘要：硅材料的高分辨率区域掺杂是现代电子器件的基础，有机半导体（OSCs）如果也能实现类似的精确掺杂，将有望推动有机集成电路中互连、电极、p–n结等关键结构的发展。特别是在有机场效应晶体管（FETs）中，局部掺杂可用于填补缺陷、调控电荷输运方式并形成理想的欧姆接触，

硅材料的高分辨率区域掺杂是现代电子器件的基础，有机半导体（OSCs）如果也能实现类似的精确掺杂，将有望推动有机集成电路中互连、电极、p–n结等关键结构的发展。特别是在有机场效应晶体管（FETs）中，局部掺杂可用于填补缺陷、调控电荷输运方式并形成理想的欧姆接触，从而显著提升性能并有助于器件小型化。然而，传统方法中掺杂剂与OSC一接触就会发生反应，难以实现高空间分辨率控制。目前的喷墨打印或热蒸发等方法虽能局部沉积掺杂剂，但精度仍不够。

在此，北京大学裴坚教授课题组提出了一种简便的“光触发掺杂”策略，并开发出一系列在正常状态下无活性的“光激活掺杂剂”（iPADs），用于实现有机半导体的区域可控n型掺杂。通过紫外光照射将iPADs激活为有效掺杂剂，作者成功实现了对多种n型有机半导体的精准掺杂，使其电导率超过30S/cm(图1).使用iPADs不仅显著提升了有机半导体在晶体管、逻辑电路和热电器件中的性能，还首次在有机半导体中实现了分辨率高达1μm的区域掺杂控制。总体而言，该策略不仅实现了掺杂程度的灵活调节，还兼具高空间分辨率，特别适合应用于卷对卷大规模生产以及实验室级别的集成电路制造中。相关成果以“Light-triggered regionally controlled n-doping of organic semiconductors”为题发表在《Nature》上，第一作者为Xin-Yi Wang。

裴坚教授

图1：光触发的掺杂方法

光触发 n 掺杂

图 2：光触发的 n 掺杂

光触发 n 掺杂的通用性

研究人员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

光触发 n 掺杂的应用

作者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。

图 4：光触发掺杂方法的应用

小结

本文提出了一种具有超高空间分辨率的有机场效应晶体管区域可控掺杂新策略，结合了光触发掺杂方法与专门设计的n型掺杂分子。研究共开发出四种光激活型n掺杂剂，可适用于十种不同的有机半导体材料，纯靠紫外光照即可将薄膜电导率提升多达9个数量级，且无需额外加热或后处理。该方法兼容现有高分辨光刻工艺，实现了1微米分辨率的图案化掺杂，有望通过进一步提升曝光技术将分辨率推进到亚微米尺度。在此基础上，研究构建了多种有机电子器件，包括FET、逻辑电路和热电器件，并通过区域光掺杂显著提升其性能。例如，FET器件的接触电阻降低6倍，载流子转移长度缩短4倍，为器件微缩化提供可行路径。更重要的是，该掺杂策略与溶液处理、成膜及热退火等关键工艺步骤互不干扰，便于集成电路的多步制备流程，展示出推动有机电子向大规模集成发展的广阔前景。

来源：高分子科学前沿一点号1