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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

有机半导体(OSC)是柔性、可穿戴和大面积电子产品最有前途的候选材料之一。然而，由于大多数候选材料的稳定性较差，即带负电的极化子对氧气和水具有内在的高反应性，n型OSC的发展受到了严重阻碍。

基于此，天津大学胡文平、李立强等人展示了一种基于维生素C的稳定n型 OSC的通用策略，显著提高了其器件（例如有机场效应晶体管）的性能和稳定性。维生素C清除活性氧物质并通过级联过程中的牺牲氧化和非牺牲三重态猝灭抑制其产生，这不仅可以持久防止分子结构受到氧化损伤，还可以钝化潜电子陷阱以稳定电子传输。这项研究提出了一种克服n型OSC和器件长期存在的稳定性问题的方法。考虑到 VC 价格低廉、可在商业上获得（VC-PU的成本约为 0.065₵ m⁻¹，占器件总成本的 0.3%），这种策略将在大规模工业化中显示出巨大的潜力。    

OSC分子的抗氧化作用

抗氧化能力的提升是解决n型有机半导体(OSCs)稳定性问题的关键。维生素C（VC）作为一种天然抗氧化剂，能有效清除活性氧，延长生物体寿命。受此启发，作者探索了VC在提高n型OSCs稳定性方面的应用。以N,N'-二辛基-3,4,9,10-苝二酰亚胺(PTCDI-C₈)为例，研究发现VC的自旋涂覆显著降低了其光降解率。此外，VC对π共轭有机分子的化学降解也具有保护作用。通过分子荧光探针和电子顺磁共振(EPR)验证了VC清除活性氧的效果，VC能有效抑制这些活性氧的产生，保护OSCs免受光降解。    

图  VC对n型OSCs的抗氧化作用

抗氧化机制

作者通过稳态和瞬态荧光光谱研究了VC清除活性氧的动力学机制。VC能够降低¹O₂的寿命，并且其氧化形式DHA也能清除¹O₂。VC清除ROS是一个牺牲反应，但固体状态下，其效率受限。通过超快瞬态吸收光谱，发现VC及其氧化形式DHA能加速三重态激子的衰变，有效抑制ROS生成。VC和DHA在固体OSCs中通过牺牲和非牺牲机制协同作用，稳定化学结构，提高稳定性。    

图  VC对n-OSCs器件性能的改进

OSC器件的性能改进

作者通过有机场效应晶体管(OFET)验证了清除ROS对稳定有机电子器件的可行性。VC处理显著提升了PTCDI-C₈ OFET的性能，迁移率增加，阈值电压、亚阈值摆幅和滞后窗均优化。VC的电子陷阱钝化作用改善了器件性能，深阱态密度降低3.5倍。早期降解的器件可通过VC-PU处理恢复，表明电子捕获效应在器件稳定性中关键。这些结果为提高基于n型OSCs的器件稳定性提供了有效方法。    

图  n型OSCs的设备稳定性

OSC器件的稳定性

n型有机半导体(OSCs)器件稳定性研究显示，VC-PU处理显著提升了PTCDI-C₈ OFET的环境稳定性，即使在脱湿情况下也能维持180天稳定。处理后的器件在偏置应力和循环测试中表现出色，紫外线照射下稳定性高。VC策略的普适性得到验证，显著提高了基于不稳定OSC的器件稳定性，优于传统抗氧化剂。    

图  VC清除ROS在OFET阵列及逻辑电路元件元件中的应用

参考文献：

Yuan, L., Huang, Y., Chen, X. et al. Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C. Nat. Mater. (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01933-w