近期，北京大學(xué)裴堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種光控?fù)诫s劑（iPADs，inactive photoactivable dopants），可以像安裝“光開關(guān)”一樣，通過光精確控制位置，并通過光的照射劑量來控制其摻雜程度，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了有機(jī)高分子在亞微米尺度的區(qū)域精準(zhǔn)摻雜。

值得關(guān)注的是，其電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)了 30S/cm 以上，摻雜分辨率達(dá) 1 微米，該指標(biāo)是迄今領(lǐng)域內(nèi)的最佳水平。

（來源：該團(tuán)隊(duì)）

現(xiàn)階段，有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域，無論是做集成電路還是電子器件，普遍面臨一個(gè)瓶頸難題：有機(jī)半導(dǎo)體的摻雜程度和精度都很難實(shí)現(xiàn)精確控制。而有機(jī)集成電路領(lǐng)域存在器件集成度較低、器件制備困難的問題。

該技術(shù)可與現(xiàn)有的有機(jī)半導(dǎo)體工藝完全兼容，并在有機(jī)集成電路和柔性電子開發(fā)方向具有應(yīng)用前景。其通過摻雜方式顯著增加器件密度、縮小器件尺寸、實(shí)現(xiàn)更高集成度，并提升器件性能，為解決有機(jī)集成電路摻雜問題提供了一種新方案。

另一方面，由于該摻雜劑高度兼容柔性基底，可應(yīng)用在基于柔性材料的器件，比如人機(jī)交互器件、腦機(jī)接口、人工智能器件等。據(jù)團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，該技術(shù)有望率先在電路基本元器件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，比如需要成本低甚至可一次性使用的射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）卡。

（來源：該團(tuán)隊(duì)）

審稿人對該研究評價(jià)稱：“該工作中由王等人提出的一系列摻雜劑為領(lǐng)域帶來重大突破，可使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)構(gòu)建有機(jī)電子器件。”

日前，相關(guān)論文以《光觸發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體區(qū)域可控 n 型摻雜》（Light-triggered regionally controlled n-doping of organic semiconductors）為題發(fā)表在 Nature[1]。北京大學(xué)博士畢業(yè)生王馨怡是第一作者，裴堅(jiān)教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

在研究初期，該團(tuán)隊(duì)以設(shè)計(jì)一種區(qū)域精確可控的摻雜手段作為研究目標(biāo)。受無機(jī)半導(dǎo)體精確摻雜使用光刻方式啟發(fā)，他們最先想到使用“光”來解決相關(guān)問題。

恰巧研究人員在上裴堅(jiān)教授的有機(jī)化學(xué)課時(shí)獲得靈感：或許可以使用光激活的關(guān)環(huán)反應(yīng)，并基于此陸續(xù)開發(fā)出一系列 iPADs 分子。

該研究的創(chuàng)新之處在于，建立了一種新的摻雜機(jī)制：將經(jīng)典的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)用在摻雜劑體系中，然后用光實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，并應(yīng)用在器件加工過程中。

圖丨光激活摻雜過程示意圖（來源：Nature）

從基礎(chǔ)概念上來看，實(shí)際上研究團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的體系屬于 6π 電子體系。該類體系在過去幾十年里，已廣泛使用光開關(guān)（比如分子機(jī)器等）。裴堅(jiān)對 DeepTech 表示：“我們希望這個(gè)分子在‘關(guān)環(huán)’的狀態(tài)下，能把有機(jī)半導(dǎo)體激活起來，讓這個(gè)體系變得更加生動(dòng)活潑。所以，這項(xiàng)研究相當(dāng)于把兩方面的工作結(jié)合在一起?！?/p>

值得關(guān)注的是，系列分子在摻雜分辨率達(dá)到 1 微米程度。據(jù)介紹，該指標(biāo)是目前儀器能做到的摻雜精度，并不是該分子能實(shí)現(xiàn)的最高精度?！鞍凑找延械墓饪坦に嚱?jīng)驗(yàn)來說，在合適的儀器和合適的曝光條件下，精度有望進(jìn)一步達(dá)到幾十納米?！蓖踯扳f道。

而摻雜分辨率之所以能達(dá)如此高的水平，重要原因之一在于摻雜劑的摻雜活性非常高。該論文合作者、北京大學(xué)姚澤凡博士解釋說：“相當(dāng)于啟動(dòng)激活之后，光照到哪里，摻雜反應(yīng)就發(fā)生在哪里，進(jìn)而顯著降低了摻雜劑發(fā)生擴(kuò)散或遷移的可能性?！?/p>

另一個(gè)重要的原因在于，光激活的摻雜反應(yīng)是在固態(tài)條件下進(jìn)行的。在分子位置相對被固定住的情況下，摻雜位點(diǎn)的準(zhǔn)確性會(huì)大幅度提高。

（來源：Nature）

該研究共歷時(shí)約 8 年，這也是研究團(tuán)隊(duì)一路“披荊斬棘”的過程。首先，iPADs 分子并不是現(xiàn)成的，而是研究人員通過對比篩選逐漸尋找到了這種兼具光激活特性和摻雜效果的分子。

然后，為提升摻雜效率，他們設(shè)計(jì)了很多新分子并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。接著，器件驗(yàn)證也困難重重。有機(jī)場效應(yīng)晶體管器件需要經(jīng)歷多步工藝和多次對準(zhǔn)，制備難度非常高。研究人員在一次次失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并逐漸調(diào)整器件設(shè)計(jì)，最終才實(shí)現(xiàn)理想的摻雜劑性能。

此外，他們還用了很長時(shí)間探索光摻雜劑實(shí)現(xiàn)高精度摻雜過程的具體機(jī)制。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)分子的普適性，研究人員對十種不同能級的聚合物，以及多種有機(jī)電子器件進(jìn)行摻雜實(shí)驗(yàn)，并且達(dá)到電導(dǎo)率提升 6 個(gè)數(shù)量級的效果。

據(jù)介紹，該研究中所使用的柔性聚酰亞胺基底來源于課題組孵化的企業(yè)博雅聚力。目前，該團(tuán)隊(duì)也在與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化方面的合作，以推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，特別是在有機(jī)電路和能源相關(guān)領(lǐng)域。

有機(jī)半導(dǎo)體在集成電路方面具有成本低、可大面積加工、加工簡潔的優(yōu)勢。如果將印刷打印技術(shù)結(jié)合光刻技術(shù)制備有機(jī)半導(dǎo)體，再通過高精度摻雜方式進(jìn)一步提升單位器件的密度，有望大幅度降低成本。因此該技術(shù)在一定程度上，可以與對無機(jī)半導(dǎo)體或無機(jī)集成電路的形成良好的互補(bǔ)。

在接下來的研究階段中，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)尋找能夠在鏡子外部被激發(fā)的新分子?，F(xiàn)階段，研究人員主要通過光摻雜來激活 N 型共軛高分子。未來，他們希望能在光的作用下激活 P 型共軛高分子。如果能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就可以在光的共同作用下實(shí)現(xiàn) PN 結(jié)的過程。

但裴堅(jiān)也坦言：“這在現(xiàn)階段還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，如果能實(shí)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體在光作用下形成 PN 結(jié)，將是一個(gè)重要的突破，那將意味著在有機(jī)集成電路加工方面向前邁出了一大步?！?/p>

參考資料：

1.Xin-Yi Wang, Yi-Fan Ding, Xiao-Yan Zhang, Yang-Yang Zhou, Chen-Kai Pan, Yuan-He Li, Nai-Fu Liu, Ze-Fan Yao, Yong-Shi Chen, Zhi-Hao Xie, Yi-Fan Huang, Yu-Chun Xu, Hao-Tian Wu, Chun-Xi Huang, Miao Xiong, Li Ding, Zi-Di Yu, Qi-Yi Li, Yu-Qing Zheng, Jie-Yu Wang, Jian Pei，Light-triggered regionally controlled n-doping of organic semiconductors. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09075-y

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