3个月后，南方科技大学再发Nature！

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化学掺杂是研究有机半导体电荷传输和改进某些(光电)电子器件的关键过程。n-型(电子)掺杂，从根本上比p-型(空穴)掺杂更具挑战性，其掺杂效率(η)通常低于10%。一种高效的分子n-型掺杂剂，要想具有广泛的适用性，必须同时具有高的还原力和空气稳定性，而这是一个非常具有挑战性的问题。
在此，来自美国西北大学的Antonio Facchetti & 南方科技大学的郭旭岗等研究者，展示了使用空气稳定前驱体型分子掺杂的有机半导体催化n型掺杂的通用概念。相关论文以题为“Transition metal-catalysed molecular n-doping of organic semiconductors”于2021年11月03日发表在Nature上。
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据悉，这是南方科技大学继2021年8月11日之后，再次登上《Nature》主刊。
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有机半导体的n-型掺杂，对于发展发光二极管、太阳能电池、薄膜晶体管和热电器件具有重要意义。虽然基于溶液的n-型掺杂，已进行了广泛研究，但仅开发出了少数的空气稳定的n-型掺杂剂，最突出的是有机氢化物，如苯并咪唑衍生物，有机自由基二聚体，如19-电子有机金属三明治化合物，一价/多价阴离子，如OH–, F–和Ox2-。
这些空气稳定的掺杂剂，在其初始形式中具有深电离势，因此，不能直接将电子转移到具有低电子亲和力的n-型掺杂的有机半导体上。对于阴离子来说，分散成小的无水团簇，可以使n-型掺杂有机半导体，具有足够高的供体水平，电子亲和高达2.4 eV。氢化物和二聚体掺杂前驱体(称为前驱体型掺杂剂)，在电子转移发生之前，大多分别进行了C-H和C-C键的裂解反应，原位生成活性掺杂物种。
因此，它们的还原强度和反应动力学，受到掺杂反应热力学和活化能的强烈影响。如果降低产物的活化能，预计反应速率和掺杂程度将大大提高(图1a)。

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图1. TM催化n-型掺杂概念
过渡金属(TM)催化的C-H和C-C键断裂反应，可广泛应用于有机合成，最常见的过渡金属裂解反应属于8-11列元素，催化剂以纳米颗粒和有机金属配合物的形式存在。纳米颗粒的大小、衬底材料和配合物的化学结构，对催化活性有很大影响。因此，TM催化剂是否可以用于前驱体型掺杂剂，它们是否可以与不同的半导体兼容，是否可以提高整体掺杂效率/速率，以及它是否可以有技术上的意义，将会是非常重要且要关注的问题。
在此，研究者探讨了苯并咪唑基氢化物分子掺杂剂(N-DMBI-H)和10/11列TM三元体系中的掺杂过程，以金属纳米颗粒和有机金属配合物[Pd2(dba)3]的形式，用各种电子传输有机半导体来验证通用概念(图1b, c)。使用N-DMBI-H是因为其商业可用性、空气稳定性、良好的还原能力，并广泛适用于几种半导体。使用10/11列TM催化剂，是因为其各种形式的可及性，包括蒸汽/溶液处理的纳米粒子和可溶性复合物等。
根据实验和理论证据的评估，将过渡金属(如Pt、Au、Pd)作为气相沉积的纳米颗粒或可溶液处理的有机金属配合物(如Pd2(dba)3)加入催化反应，可以在更短的掺杂时间内大大提高η值和高电导率(在100 S cm-1以上)。该方法对实现改进的半导体器件具有技术意义，并为催化剂、分子掺杂剂和半导体三元体系提供了广阔的探索空间，从而为n-型掺杂的研究和应用开辟了新的机遇。

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图2. AuNP催化N-DMBI-H掺杂PDTzTI的研究

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图3. 金属催化N-DMBI-H掺杂方法的通用性

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图4. AuNP催化N-DMBI-H掺杂机理
综上所述，一种新的金属催化有机半导体n-型掺杂概念已经被证明可以实现快速、高效和重n-型掺杂的π共轭聚合物和小分子。通过DFT计算，TM催化剂的使用促进了C-H键的裂解，从而提高了掺杂前驱体的反应活性，并提供了与实验评估的未催化反应相同的反应产物。研究者展示了对有机热电、薄膜晶体管和钙钛矿太阳能电池器件的适用性，这些器件需要高载流子密度和/或有效的电子注入/传输。因此，这一概念，不仅可能适用于现有的n-型掺杂剂库，还可以用于扩大“理想”n-型掺杂剂的设计空间，增强空气稳定性和还原能力。
作者简介
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郭旭岗教授，于1999年获兰州大学学士学位，2002年获兰州大学硕士学位，2009年获美国肯塔基大学博士学位，2009年7月至2012年10月在美国西北大学进行博士后研究工作。自2012年11月，在南方科技大学全职工作。2013年入选深圳市孔雀计划B类人才，2018年被评为广东省珠江学者特聘教授，2020年入选深圳市地方级领军人才。
研究领域包括：有机场效应晶体管和电化学晶体管、有机太阳能电池
钙钛矿太阳能电池、有机热电器件等。
郭旭岗教授的主要研究领域为有机半导体材料与光电器件，在n-型高分子半导体材料与器件方向做出了国际领先水平的研究成果。在Chemical Reviews、Nature Photonics、Nature Energy、JACS、Angewandte Chemie、PNAS、Advanced Materials等期刊发表论文130余篇，受Chemical Reviews、Nature Materials、Nature Energy、Chem、高分子学报等期刊约稿撰写专论、展望及综述。论文被引用8000余次，H-index为40，其中ESI高被引论文8篇，热点论文2篇。10余篇论文在期刊封面发表，研究成果被Science Daily、Phys.org、Chemistry World等媒体报道。申请发明专利17项，专利授权5项，主持国家自然科学基金面上项目3项。
郭旭岗教授是Organic Photonics and Photovoltaics期刊的副主编，同时担任着多家期刊的审稿人，包括：Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Nature Materials, Nature Photonics, JACS, Angew. Chem., Int. ed., Chem, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Electronic Mater.,Chem. Sci., ACS Nano, Chem. Mater., Org. Lett., Macromolecules, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. A, J. Mater. Chem. C, Chem. Eur. J., Poly. Chem., Macromol. Rapid Commun., J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., ACS Omega, Org. Electronics, Dyes and Pigments, Synlett, Org. Photonics and Photovoltaics, Chem. Phys. Lett., J. Mater. Sci.: Mater. Electron., Mater. Sci. Eng. B, AIP Advances, Sci. Bulletin, Sci. Adv. Mater., Chin. J. Chem., ACS Appl. Energy Mater., ACS Energy Mater. Lett., ChemistrySelect, Langmuir, Macromol. Chem. Phys., Macromol. Mater. Eng., Materials Science and Engineering B, Nanoscale, Rep. Prog. Phys., Sci. Adv. Mater., Synthetic Metals。
此外，谷歌学术显示，郭旭岗教授近年来文章引用次数大有爆发趋势：
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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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03942-0#citeas
https://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/09/dd9561e51c/

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