导读

据瑞典林雪平大学官网近日报道，该校研究人员发现，有机电子器件中的电荷运动速度会因为少量的水而显著降低。

背景

有机材料例如聚合物可以作为半导体。这项发现赢得了2000年诺贝尔化学奖。从那时起，有机电子领域的研究真正爆发，尤其是在林雪平大学。林雪平大学是这一领域中世界领先研究成果的聚集地。

林雪平大学有机电子实验室设计的热电有机晶体管（图片来源：Thor Balkhed）

林雪平大学开发的基于n型有机电化学晶体管的互补逻辑电路（图片来源：Thor Balkhed）

林雪平大学有机电子实验室开发的基于纤维素的传感器。（图片来源：Thor Balkhed）

然而，有机半导体的导电效率，却比不上硅或者其他无机材料制成的半导体。科学家们发现，其中一个原因就是，在有机材料中形成的陷阱会困住载流子。全世界有几个研究小组一直致力于理解这些陷阱的位置，以及如何消除它们。

创新

当以正确的方式制造时，低质量的有机半导体可以变成高质量的半导体。瑞典林雪平大学科研人员在一篇发表在《自然材料（Nature Materials）》期刊上的论文中表示，有机电子器件中的电荷运动速度会因为少量的水而显著降低。

（图片来源：Charlotte Perhammar）

技术

林雪平大学复杂材料与器件部门的应用物理系教授 Martijn Kemerink 表示：“所有的有机半导体中都存在陷阱，但是它们大概在n型材料中的问题更大，因为这些材料总体上比p型材料的半导体性能更差。”

半导体中有两种载流子，即价带中的空穴（带正电）和导带中的电子（带负电），以电子导电为主的半导体称之为n型半导体，以空穴导电为主的半导体称为p型半导体。

Martijn Kemerink 及其在林雪平大学的同事们得出结论：水才是“罪魁祸首”。具体来说，水被认为出现在有机材料的纳米孔洞中，它是从环境中被吸收来的。

Martijn Kemerink 表示：“在p型材料中，水中的偶极子以它们的负端对着空穴的方式进行对齐，空穴带正电，并且整个系统的能量被降低。也许可以这么说，偶极子嵌入载流子，使得它们无法到处移动。”

对于n型材料来说，水中偶极子的朝向相反，但是效果却一样，电荷被困住。

实验是在材料被加热的情况下开展，加热的目的是使其变干，并使水分消失。材料在一段时间内工作得很好，但是后来又会重新从周围空气中吸收水分，由干燥带来的好处又逐渐消失。

“水越多，陷阱就越多。我们也展示了，制造出的薄膜越干，其导电性就越好。Mathieu Linares 的理论研究证实了我们的想法，结果令人非常满意。我们在《自然材料（Nature Materials）》期刊上的论文指出了如何排出水分，以及如何保持水分不再进来，从而制造出具有稳定导电性能的有机材料。”

在材料变干之后，为了防止水分重新进入到材料中，科学家们开发了一种去除空隙的方法，否则水分子会利用这些空隙进行渗透。这种方法是基于在合适的有机溶剂中加热材料。

价值

Martijn Kemerink 表示：“只要在干燥空气中制造这些半导体材料，那些之前被认为是极差的半导体材料，现在却变成良好的半导体。我们展示了干燥制备的材料倾向于保持干燥，而在湿润环境中制备的材料可进行脱水处理。然而，后者对于水特别敏感。我们测试所用的材料证明了这一点，但是没有迹象表明其他的有机半导体材料会表现得不同。”

关键字

有机电子、半导体、水

参考资料

【1】Guangzheng Zuo, Mathieu Linares, Tanvi Upreti, Martijn Kemerink. General rule for the energy of water-induced traps in organic semiconductors. Nature Materials, 2019; DOI: 10.1038/s41563-019-0347-y

【2】https://liu.se/en/news-item/fukt-skapar-fallor-i-den-organiska-elektroniken