聚合物半導(dǎo)體是新一代柔性光電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，在高柔性邏輯電路、可植入智能感知器件、熱電發(fā)電與制冷器件等方面具有應(yīng)用前景。化學(xué)摻雜可以精細(xì)調(diào)控聚合物半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和光電功能，并拓展材料的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，科研人員在聚合物半導(dǎo)體的分子摻雜方法開發(fā)、摻雜程度調(diào)控和摻雜態(tài)功能物性拓展等方面取得了進(jìn)展。然而，現(xiàn)有方法受限于摻雜劑的各向同性擴(kuò)散，摻雜空間分辨率僅可達(dá)亞微米尺度，制約了聚合物半導(dǎo)體納米電子學(xué)以及相關(guān)超高密度集成器件的發(fā)展。

中國科學(xué)院院士、化學(xué)研究所研究員朱道本與研究員狄重安團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)副教授張鳳嬌課題組，結(jié)合聚合物電化學(xué)氧化還原摻雜和傳統(tǒng)無機(jī)單離子注入摻雜的基本原理，提出了納米限域的電化學(xué)離子注入（NEII）方法，實(shí)現(xiàn)了納米級分辨率的聚合物半導(dǎo)體摻雜。

該工作的基本思路是利用離子液體和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）聚合物復(fù)合構(gòu)筑固態(tài)電解質(zhì)，調(diào)控玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，重塑電化學(xué)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(xué)摻雜空間分辨率。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控復(fù)合電解質(zhì)的T_g和工作溫度（T），可以創(chuàng)建高度局部化的電場分布，實(shí)現(xiàn)垂直于納米電極的離子遷移。基于此，聚合物半導(dǎo)體的摻雜分辨率達(dá)到56納米，比傳統(tǒng)化學(xué)摻雜的分辨率高2個(gè)數(shù)量級；同時(shí)，橫向擴(kuò)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(shù)依賴性并建立了工作模型，證明了這一方法在聚合物半導(dǎo)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(dǎo)體被應(yīng)用于制備高性能有機(jī)晶體管和水平p-n結(jié)二極管。上述成果為聚合物納米電子學(xué)的發(fā)展提供了新機(jī)遇，并為聚合物半導(dǎo)體器件的高密度集成奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院的支持。

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電化學(xué)離子注入摻雜的原理示意圖和摻雜分辨率表征結(jié)果