聚合物半导体是新一代柔性光电子产业的重要基础材料，在高柔性逻辑电路、可植入智能感知器件、热电发电与制冷器件等方面具有广阔的应用前景。化学掺杂可以精细调控聚合物半导体的导电性能和光电功能，大幅拓展材料的应用领域。近十年来，研究人员在聚合物半导体的分子掺杂方法开发、掺杂程度调控和掺杂态功能物性拓展等方面取得了系列突破。但是现有方法受限于掺杂剂的各向同性扩散，掺杂空间分辨率仅能达到亚微米尺度，制约了聚合物半导体纳米电子学及相关超高密度集成器件的发展。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，中国科学院化学研究所朱道本院士/狄重安研究员团队与中国科学院大学张凤娇副教授课题组合作，结合聚合物电化学氧化还原掺杂和传统无机单离子注入掺杂的基本原理，提出了纳米限域的电化学离子注入（NEII）方法，实现了纳米级分辨率的聚合物半导体掺杂。

该工作的基本思路是利用离子液体和高玻璃化转变温度（T_g）聚合物复合构筑固态电解质，调控其玻璃化转变温度，进而重塑电化学掺杂的边缘电场并限制水平方向上的离子迁移，最终实现电化学掺杂空间分辨率的大幅提升。研究发现，通过精确调控复合电解质的T_g和工作温度（T），可以创建高度局部化的电场分布，实现垂直于纳米电极的离子迁移。基于此，聚合物半导体的掺杂分辨率达到56纳米，比传统化学掺杂的分辨率高2个数量级，同时横向扩展掺杂长度低至9.3纳米，接近该类聚合物极化子离域长度的极限。更为重要的是，研究团队揭示了NEII掺杂分辨率与(T_g−T)的指数依赖性并建立了工作模型，证明了该方法在聚合物半导体高分辨掺杂方面的普适性。基于此方法获得的聚合物半导体被成功应用于制备高性能有机晶体管和水平p-n结二极管。相关结果为聚合物纳米电子学的发展提供新的机遇，也为聚合物半导体器件的高密度集成奠定了技术基础。

相关研究成果发表于Nature Nanotechnology期刊上（Nat Nanotechnol. 2024, DOI: 10.1038/s41565-024-01653-x），文章的第一作者为项兰义博士，通讯作者为化学所狄重安研究员和中国科学院大学张凤娇副教授。

图1. 电化学离子注入掺杂的原理示意图和掺杂分辨率表征结果

图2. NEII掺杂薄膜的器件构筑与光电性能曲线

使用中心设备:ToF-SIMS

参与者：赵耀

核心贡献：通过ToF-SIMS深度剖析和三维成像技术证实了纳米限域电化学离子注入方法可实现全薄膜厚度的均匀掺杂，并揭示了掺杂分辨率与电解质玻璃化转变温度的关系

有机固体院重点实验室

2024年5月7日