聚合物納米分辨率摻雜研究取得進展

聚合物半導體是新一代柔性光電子產業的基礎材料，在高柔性邏輯電路、可植入智能感知器件、熱電發電與制冷器件等方面具有應用前景。化學摻雜可以精細調控聚合物半導體的導電性能和光電功能，并拓展材料的應用領域。近年來，科研人員在聚合物半導體的分子摻雜方法開發、摻雜程度調控和摻雜態功能物性拓展等方面取得了進展。然而，現有方法受限于摻雜劑的各向同性擴散，摻雜空間分辨率僅可達亞微米尺度，制約了聚合物半導體納米電子學以及相關超高密度集成器件的發展。

中國科學院院士、化學研究所研究員朱道本與研究員狄重安團隊，聯合中國科學院大學副教授張鳳嬌課題組，結合聚合物電化學氧化還原摻雜和傳統無機單離子注入摻雜的基本原理，提出了納米限域的電化學離子注入（NEII）方法，實現了納米級分辨率的聚合物半導體摻雜。

該工作的基本思路是利用離子液體和高玻璃化轉變溫度（T_g）聚合物復合構筑固態電解質，調控玻璃化轉變溫度，重塑電化學摻雜的邊緣電場并限制水平方向上的離子遷移，以提升電化學摻雜空間分辨率。研究發現，通過調控復合電解質的T_g和工作溫度（T），可以創建高度局部化的電場分布，實現垂直于納米電極的離子遷移。基于此，聚合物半導體的摻雜分辨率達到56納米，比傳統化學摻雜的分辨率高2個數量級；同時，橫向擴展摻雜長度低至9.3納米，接近該類聚合物極化子離域長度的極限。更重要的是，研究揭示了NEII摻雜分辨率與（T_g?T）的指數依賴性并建立了工作模型，證明了這一方法在聚合物半導體高分辨摻雜方面的普適性。基于這一方法獲得的聚合物半導體被應用于制備高性能有機晶體管和水平p-n結二極管。上述成果為聚合物納米電子學的發展提供了新機遇，并為聚合物半導體器件的高密度集成奠定了技術基礎。

相關研究成果發表在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院的支持。