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原創丨米測MeLab
編輯丨風云
有機半導體(OSC)是柔性、可穿戴和大面積電子產品最有前途的候選材料之一。然而，由于大多數候選材料的穩定性較差，即帶負電的極化子對氧氣和水具有內在的高反應性，n型OSC的發展受到了嚴重阻礙。
基于此，天津大學胡文平、李立強等人展示了一種基于維生素C的穩定n型 OSC的通用策略，顯著提高了其器件（例如有機場效應晶體管）的性能和穩定性。維生素C清除活性氧物質并通過級聯過程中的犧牲氧化和非犧牲三重態猝滅抑制其產生，這不僅可以持久防止分子結構受到氧化損傷，還可以鈍化潛電子陷阱以穩定電子傳輸。這項研究提出了一種克服n型OSC和器件長期存在的穩定性問題的方法。考慮到 VC 價格低廉、可在商業上獲得（VC-PU的成本約為 0.065??m?1，占器件總成本的 0.3%），這種策略將在大規模工業化中顯示出巨大的潛力。
OSC分子的抗氧化作用
抗氧化能力的提升是解決n型有機半導體(OSCs)穩定性問題的關鍵。維生素C（VC）作為一種天然抗氧化劑，能有效清除活性氧，延長生物體壽命。受此啟發，作者探索了VC在提高n型OSCs穩定性方面的應用。以N,N'-二辛基-3,4,9,10-苝二酰亞胺(PTCDI-C8)為例，研究發現VC的自旋涂覆顯著降低了其光降解率。此外，VC對π共軛有機分子的化學降解也具有保護作用。通過分子熒光探針和電子順磁共振(EPR)驗證了VC清除活性氧的效果，VC能有效抑制這些活性氧的產生，保護OSCs免受光降解。
圖 VC對n型OSCs的抗氧化作用
抗氧化機制
作者通過穩態和瞬態熒光光譜研究了VC清除活性氧的動力學機制。VC能夠降低1O2的壽命，并且其氧化形式DHA也能清除1O2。VC清除ROS是一個犧牲反應，但固體狀態下，其效率受限。通過超快瞬態吸收光譜，發現VC及其氧化形式DHA能加速三重態激子的衰變，有效抑制ROS生成。VC和DHA在固體OSCs中通過犧牲和非犧牲機制協同作用，穩定化學結構，提高穩定性。
圖 VC對n-OSCs器件性能的改進
OSC器件的性能改進
作者通過有機場效應晶體管(OFET)驗證了清除ROS對穩定有機電子器件的可行性。VC處理顯著提升了PTCDI-C8 OFET的性能，遷移率增加，閾值電壓、亞閾值擺幅和滯后窗均優化。VC的電子陷阱鈍化作用改善了器件性能，深阱態密度降低3.5倍。早期降解的器件可通過VC-PU處理恢復，表明電子捕獲效應在器件穩定性中關鍵。這些結果為提高基于n型OSCs的器件穩定性提供了有效方法。
圖 n型OSCs的設備穩定性
OSC器件的穩定性
n型有機半導體(OSCs)器件穩定性研究顯示，VC-PU處理顯著提升了PTCDI-C8 OFET的環境穩定性，即使在脫濕情況下也能維持180天穩定。處理后的器件在偏置應力和循環測試中表現出色，紫外線照射下穩定性高。VC策略的普適性得到驗證，顯著提高了基于不穩定OSC的器件穩定性，優于傳統抗氧化劑。
圖 VC清除ROS在OFET陣列及邏輯電路元件元件中的應用
參考文獻：
Yuan, L., Huang, Y., Chen, X. et al. Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C. Nat. Mater. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01933-w
