解决掺杂问题：提高有机半导体的性能
卡文迪什物理学家发现了两种改进有机半导体的新方法。他们找到了一种方法，可以从材料中去除比以前更多的电子，并在非平衡态环境中利用意想不到的特性，提高其在电子设备中的性能。卡文迪什实验室博士后研究员 Dionisius Tjhe 博士表示：“我们确实想一针见血，弄清楚在聚合物半导体中大量掺杂时会发生什么。”掺杂是在半导体中移除或添加电子的过程，以提高其承载电流的能力。
在最近发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中，Tjhe 和他的同事详细介绍了这些新见解如何有助于提高掺杂半导体的性能。
掺杂程度达到前所未有的能带
固体中的电子被组织成能带。最高能带称为价带，控制着许多重要的物理特性，如电导率和化学键合。有机半导体中的掺杂是通过从价带中去除一小部分电子来实现的。然后空穴（电子缺失）可以流动并导电。
“传统上，有机半导体价带中只有 10% 到 20% 的电子被移除，这已经远远高于硅半导体中典型的百万分之一水平，”Tjhe 说道。“在我们研究的两种聚合物中，我们能够完全清空价带。更令人惊讶的是，在其中一种材料中，我们甚至可以走得更远，从下面的带中移除电子。这可能是第一次实现这一目标！”
有趣的是，与顶部价带相比，较深价带的电导率明显更高。“希望深能级中的电荷传输最终能够带来更高功率的热电设备。这些设备可以将热量转化为电能，”卡文迪什实验室博士后研究员、该研究的共同第一作者任兴龙博士说。“通过寻找具有更高功率输出的材料，我们可以将更多的废热转化为电能，使其成为更可行的能源。”
为什么在该材料中观察到了这种现象？
尽管研究人员认为，在其他材料中也有可能实现价带清空，但这种效应在聚合物中可能最容易实现。Tjhe 表示：“我们认为，我们聚合物中能带的排列方式以及聚合物链的无序性质使我们能够做到这一点。”
“相比之下，其他半导体，如硅，可能不太可能产生这些效应，因为在这些材料中清空价带更困难。了解如何在其他材料中重现这一结果是至关重要的下一步。这对我们来说是一个激动人心的时刻。”
还有其他方法可以提高热电性能吗？
掺杂会导致空穴数量增加，但同时也会增加离子数量，从而限制功率。幸运的是，研究人员可以使用一种称为场效应门的电极来控制空穴数量，而不会影响离子数量。
“利用场效应门，我们发现可以调整空穴密度，这导致了非常不同的结果，”卡文迪什实验室皇家学会大学研究员伊恩雅各布斯博士解释道。
“电导率通常与空穴数量成正比，空穴数量增加时电导率增加，空穴减少时电导率降低。当我们通过添加或去除离子来改变空穴数量时，就会观察到这种情况。然而，当使用场效应门时，我们会看到不同的效果。添加或去除空穴总是会导致电导率增加！”
利用非平衡状态的力量
研究人员将这些意外效应追溯到“库仑间隙”，这是无序半导体中一个众所周知但很少观察到的特征。有趣的是，这种效应在室温下消失，预期趋势得以恢复。
“库仑间隙在电测量中很难观察到，因为只有当材料无法找到最稳定的结构时，它们才会显现出来，”雅各布斯补充道。“另一方面，我们能够在比预期高得多的温度下看到这些效应，只有大约 -30°C。”
“事实证明，在我们的材料中，离子会冻结；这种情况可以在相对较高的温度下发生，”任说。“如果我们在离子冻结时添加或移除电子，材料就会处于非平衡状态。离子希望重新排列并稳定系统，但由于它们被冻结，所以无法做到这一点。这使我们能够看到库仑间隙。”
通常，热电输出功率和电导率之间存在权衡——一个增加，另一个减少。然而，由于库仑间隙和非平衡效应，两者可以同时增加，这意味着性能可以得到改善。唯一的限制是场效应门目前只影响材料的表面。如果材料的大部分可以受到影响，那么功率和电导率将增加到更大的数量级。
尽管该团队仍需取得一些进展，但该研究论文概述了一种提高有机半导体性能的明确方法。鉴于其在能源领域的前景令人振奋，该团队为进一步研究这些特性敞开了大门。“这些非平衡状态下的传输再次证明是更好的有机热电器件的有希望的途径，”Tjhe 说。
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