有机电子技术的突破

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员发现了一种简单的新方法，可以使有机电子的效率提高一倍。有机发光二极管（OLED）显示器、塑料太阳能电池和生物电子学只是他们新发现的一些技术，这些新发现涉及“双掺杂”聚合物。

图片说明：双掺杂可提高柔性有机太阳能电池的采光效率（左）、电子纸（中）的切换速度和压电纺织品的功率密度（右）。太阳能电池由Epishine AB提供。

我们的日常电子产品大多基于无机半导体，如硅。对其功能至关重要的是一种称为掺杂的过程，该过程涉及到在半导体中编织杂质以增强其导电性。正是这样，太阳能电池和LED显示屏中的各种组件才能工作。

对于有机的，也就是碳基半导体来说，这种掺杂过程同样非常重要。自从发现导电塑料和聚合物（2000年获得诺贝尔奖）以来，有机电子学的研究和发展迅速加快。OLED显示器就是一个已经上市的例子，例如最新一代智能手机。其他应用还没有完全实现，部分原因是到目前为止有机半导体的效率还不够。

有机半导体中的掺杂是通过所谓的氧化还原反应进行的。这意味着掺杂分子从半导体接收电子，从而提高半导体的导电性。半导体能与之反应的掺杂分子越多，导电率就越高，至少达到一定的极限，之后导电率就会降低。目前，掺杂有机半导体的效率极限是由掺杂剂分子只能交换一个电子来决定的。

但是现在，在科学杂志《自然材料》上的一篇文章中，克里斯汀·米勒教授和他的研究小组，以及其他七所大学的同事，证明了向每个掺杂分子移动两个电子是可能的。

“通过这种“双掺杂”的过程，半导体的效率可以提高两倍，”小组的博士生、文章的第一作者大卫·基弗说。

根据Christian M_ler的说法，这种创新并非建立在一些伟大的技术成就之上。相反，它只是看到别人没有看到的东西。

“整个研究领域都集中在研究材料上，每个分子只有一个氧化还原反应。我们选择了一种不同类型的聚合物，具有较低的电离能。我们发现这种材料允许两个电子转移到掺杂分子。事实上，这非常简单，”查尔姆斯理工大学高分子科学教授克里斯蒂安M_勒说。

这一发现可能使技术得到进一步的改进，而目前这些技术的竞争力还不足以将其推向市场。一个问题是聚合物不能很好地传导电流，因此使掺杂技术更有效一直是实现更好的聚合物电子产品的焦点。现在，这种聚合物导电率的翻倍，虽然只是在相同的表面积上使用相同数量的掺杂材料，但可能代表了允许几种新兴技术商业化所需的临界点。

“随着OLED显示器的出现，其发展已经远远超过了目前市场上的水平。但要想让其他技术取得成功并进入市场，还需要一些额外的东西。例如，有了有机太阳能电池，或者有机材料制成的电子电路，我们就需要能够像硅基电子器件一样，在一定程度上掺杂某些元件。我们的方法是朝着正确的方向迈出的一步，”克里斯蒂安·米勒说。

这项发现提供了基础知识，可以帮助成千上万的研究人员在柔性电子、生物电子学和热电方面取得进展。Christian M_ler的研究小组本身正在研究几个不同的应用领域，其中聚合物技术是研究的中心。除此之外，他的团队正在研究导电纺织品和有机太阳能电池的发展。