大自然与人工的精巧设计是很多科学领域起源与发展的重要推动力。有机半导体是一类新型半导体材料，在柔性、大面积电子学领域有广阔的应用前景。目前，科学家通过精巧的分子设计，开发了数以万计的有机半导体分子，获得了丰富的物性。传统观点认为分子结构是这些物性的本征起源，但是否存在自然界的其他因素主导着有机半导体的物性一直未被揭示。

  杂质即便在痕量水平下也会显著影响半导体的光电性质，对其认知和调控是现代半导体理论体系和应用技术的基石。氧是自然界的重要物质，材料和器件的许多性质都与之密切相关。氧长期以来被认为是载流子陷阱，会造成迁移率衰减和稳定性问题。这种理解在实验上来源于传统的脱氧方法，例如退火和升华。然而，传统方法纯化的有机半导体内是否仍存在痕量氧一直未被证实，因此，关于氧的作用以及有机半导体本征性质的研究结论有待商榷。

  最近，天津大学分子聚集态科学研究院李立强-陈小松课题组揭示了有机半导体内普遍存在痕量（10^{^-15}/cm³）氧，其与有机半导体相互作用，形成超氧根阴离子自由基和有机半导体阳离子自由基，这是一种p型掺杂状态。有机半导体内的这种电荷转移掺杂所形成的给受体相互作用约为0.1eV，远高于常规有机半导体分子热蒸发所需的能量（~0.05 eV），所以常规的退火和升发方法难以清除痕量的掺杂氧。

  研究者开发了一种基于软等离子体的无损脱氧方法，成功实现了有机半导体中的痕量氧脱附（即去掺杂）。去掺杂后，有机半导体的场效应性质发生显著衰减，由此揭示出痕量氧掺杂能够预先填充禁带内的电荷陷阱，是有机半导体材料和器件所表现出的p型性质的来源。这项发现意味着此前大量关于有机半导体“本征性质”的研究实际上都是基于“自然掺杂”的材料，该发现能够解释目前有机半导体领域内诸多难以理解的现象，有助于基础理论体系的完善。

  研究者还开发了光氧协同处理再掺杂技术：将去掺杂的器件置于O₂中光照能够可控地逆转去掺杂过程，即在去掺杂过程中消失的p型性质能够可控地恢复，这进一步有力地证明了氧是有机半导体p型性质的来源。与之相反， n型性质则在去掺杂过程中大幅提高，通过再掺杂后复原，这也表明痕量氧是有机半导体电子输运能力受限的关键因素。基于去掺杂和再掺杂技术，可实现对于有机半导体关键电学性能（如极性、电导率、阈值电压和迁移率）的无损精确调控。这项工作扩大了有机半导体材料的可探索性能空间，为其本征光电性质和可控掺杂的研究开辟了新思路。

  论文信息：

  https://doi.org/10.1038/s41467-024-44897-w

  Yinan Huang, Kunjie Wu, Yajing Sun, Yongxu Hu, Zhongwu Wang, Liqian Yuan, Shuguang Wang, Deyang Ji, Xiaotao Zhang, Huanli Dong, Zhongmiao Gong, Zhiyun Li, Xuefei Weng, Rong huang, Yi Cui, Xiaosong Chen^*, Liqiang Li^*, and Wenping Hu

  Unraveling the crucial role of trace oxygen in organic semiconductors

  Nat. Commun. 2024, 15, 626.