北大设计光触发掺杂策略，突破有机高分子亚微米尺度精准掺杂难题

近期，北京大学裴坚教授团队开发了一种光控掺杂剂（iPADs，inactive photoactivable dopants），可以像安装“光开关”一样，通过光精确控制位置，并通过光的照射剂量来控制其掺杂程度，创新性地实现了有机高分子在亚微米尺度的区域精准掺杂。

值得关注的是，其电导率实现了 30S/cm 以上，掺杂分辨率达 1 微米，该指标是迄今领域内的最佳水平。

（来源：该团队）

现阶段，有机半导体领域，无论是做集成电路还是电子器件，普遍面临一个瓶颈难题：有机半导体的掺杂程度和精度都很难实现精确控制。而有机集成电路领域存在器件集成度较低、器件制备困难的问题。

该技术可与现有的有机半导体工艺完全兼容，并在有机集成电路和柔性电子开发方向具有应用前景。其通过掺杂方式显著增加器件密度、缩小器件尺寸、实现更高集成度，并提升器件性能，为解决有机集成电路掺杂问题提供了一种新方案。

另一方面，由于该掺杂剂高度兼容柔性基底，可应用在基于柔性材料的器件，比如人机交互器件、脑机接口、人工智能器件等。据团队预计，该技术有望率先在电路基本元器件实现应用，比如需要成本低甚至可一次性使用的射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）卡。

（来源：该团队）

审稿人对该研究评价称：“该工作中由王等人提出的一系列掺杂剂为领域带来重大突破，可使用标准光刻技术构建有机电子器件。”

日前，相关论文以《光触发的有机半导体区域可控 n 型掺杂》（Light-triggered regionally controlled n-doping of organic semiconductors）为题发表在 Nature[1]。北京大学博士毕业生王馨怡是第一作者，裴坚教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

在研究初期，该团队以设计一种区域精确可控的掺杂手段作为研究目标。受无机半导体精确掺杂使用光刻方式启发，他们最先想到使用“光”来解决相关问题。

恰巧研究人员在上裴坚教授的有机化学课时获得灵感：或许可以使用光激活的关环反应，并基于此陆续开发出一系列 iPADs 分子。

该研究的创新之处在于，建立了一种新的掺杂机制：将经典的有机化学反应用在掺杂剂体系中，然后用光实现开关功能，并应用在器件加工过程中。

图丨光激活掺杂过程示意图（来源：Nature）

从基础概念上来看，实际上研究团队所设计的体系属于 6π 电子体系。该类体系在过去几十年里，已广泛使用光开关（比如分子机器等）。裴坚对 DeepTech 表示：“我们希望这个分子在‘关环’的状态下，能把有机半导体激活起来，让这个体系变得更加生动活泼。所以，这项研究相当于把两方面的工作结合在一起。”

值得关注的是，系列分子在掺杂分辨率达到 1 微米程度。据介绍，该指标是目前仪器能做到的掺杂精度，并不是该分子能实现的最高精度。“按照已有的光刻工艺经验来说，在合适的仪器和合适的曝光条件下，精度有望进一步达到几十纳米。”王馨怡说道。

而掺杂分辨率之所以能达如此高的水平，重要原因之一在于掺杂剂的掺杂活性非常高。该论文合作者、北京大学姚泽凡博士解释说：“相当于启动激活之后，光照到哪里，掺杂反应就发生在哪里，进而显著降低了掺杂剂发生扩散或迁移的可能性。”

另一个重要的原因在于，光激活的掺杂反应是在固态条件下进行的。在分子位置相对被固定住的情况下，掺杂位点的准确性会大幅度提高。

（来源：Nature）

该研究共历时约 8 年，这也是研究团队一路“披荆斩棘”的过程。首先，iPADs 分子并不是现成的，而是研究人员通过对比筛选逐渐寻找到了这种兼具光激活特性和掺杂效果的分子。

然后，为提升掺杂效率，他们设计了很多新分子并进行大量实验。接着，器件验证也困难重重。有机场效应晶体管器件需要经历多步工艺和多次对准，制备难度非常高。研究人员在一次次失败中总结经验，并逐渐调整器件设计，最终才实现理想的掺杂剂性能。

此外，他们还用了很长时间探索光掺杂剂实现高精度掺杂过程的具体机制。为验证所设计分子的普适性，研究人员对十种不同能级的聚合物，以及多种有机电子器件进行掺杂实验，并且达到电导率提升 6 个数量级的效果。

据介绍，该研究中所使用的柔性聚酰亚胺基底来源于课题组孵化的企业博雅聚力。目前，该团队也在与相关企业进行产业化方面的合作，以推动技术的进一步应用，特别是在有机电路和能源相关领域。

有机半导体在集成电路方面具有成本低、可大面积加工、加工简洁的优势。如果将印刷打印技术结合光刻技术制备有机半导体，再通过高精度掺杂方式进一步提升单位器件的密度，有望大幅度降低成本。因此该技术在一定程度上，可以与对无机半导体或无机集成电路的形成良好的互补。

在接下来的研究阶段中，研究团队计划继续寻找能够在镜子外部被激发的新分子。现阶段，研究人员主要通过光掺杂来激活 N 型共轭高分子。未来，他们希望能在光的作用下激活 P 型共轭高分子。如果能实现这一点，就可以在光的共同作用下实现 PN 结的过程。

但裴坚也坦言：“这在现阶段还是一个很大的挑战，如果能实现有机半导体在光作用下形成 PN 结，将是一个重要的突破，那将意味着在有机集成电路加工方面向前迈出了一大步。”

参考资料：

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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