近日，南方科技大学电子与电气工程系Aung Ko Ko Kyaw教授团队在学术期刊Advanced Materials发表题为Simultaneous Enhancement of Electron and Hole Mobility in para-Azaquinodimethane-Derived Polymer by Individually Applying Various Additives的研究论文。该工作在双极型有机半导体电荷输运调控方面取得进展，首次实现了在同一材料体系中，仅通过单一添加剂（兼容离子型、p-型与n-型）即可同步提升电子与空穴迁移率，为有机电子器件的发展提供了全新思路。

有机半导体因其轻质、低成本、可印刷、柔性和可穿戴等优势，被认为是下一代电子器件的重要候选材料。然而，其电荷迁移率和掺杂效率长期受限，显著落后于硅基半导体。尤其是在双极型有机半导体中，电子与空穴传输往往难以协同增强，传统掺杂机制高度依赖能级匹配，需要分别引入p-型和n-型掺杂剂，且二者在同一体系中相互干扰，严重制约器件性能的进一步提升。

针对这一关键瓶颈，研究团队引入具有醌式结构的para-azaquinodimethane（AQM）单元，并将其与经典的吡咯并吡咯二酮（DPP）骨架相结合，通过调控DPP侧翼基团的电子亲和性，设计合成了图1所示的三种新型聚合物材料：FuAQM、SeAQM 和PyAQM。其中，FuAQM和SeAQM分别引入呋喃和硒吩，表现为p-型主导的双极型行为；而采用吡啶的PyAQM则呈现n-型主导特性，为系统研究添加剂效应提供了理想模型体系。

图1：本研究中聚合物材料分子结构

研究人员进一步选取了离子型添加剂TBAI、n-型添加剂TeNF，以及p-型添加剂Zn(C₆F₅)₂，并对三种聚合物进行系统研究。结果显示，在p-型主导的FuAQM和SeAQM中，添加剂会削弱电荷传输性能；而在n-型主导的PyAQM中，无论添加剂类型如何，电子和空穴迁移率均实现同步显著提升，其中电子迁移率最高提升约400%，空穴迁移率提升近100%。这一现象突破了传统电子转移掺杂理论的认知边界，在同类研究中尚属首次报道。

图2：EPR图谱：基准自由基化合物、聚合物在添加剂作用前后对比

机理研究表明，该协同增强效应并非源于电子转移掺杂。电子顺磁共振（EPR，图2）测试显示，FuAQM和SeAQM均表现出明显信号，而PyAQM无论是否加入添加剂均未观测到信号，表明其未发生电子转移，与“电子转移机制无法同步增强电子与空穴迁移率”的认知一致。FuAQM和SeAQM的信号源于醌式–芳香式共振互变生成的自由基，削弱了主链共轭性，且SeAQM中添加剂会进一步加剧该效应。相比之下，PyAQM的n-型特性稳定了醌式结构，维持了高度共轭的主链结构。

图3：密度泛函理论计算及机理示意图

结合密度泛函理论（DFT）计算和GIWAXS表征，研究团队提出了一种新的作用机制：AQM单元能够促进聚合物主链与添加剂之间形成有效的轨道耦合，构建新的电荷传输通道，从而实现电子与空穴传输的同步增强 (图3)。进一步对芳香化对比体系的计算表明，醌式结构是实现强轨道耦合的关键。

总之，该研究证明，通过分子设计增强主体聚合物与客体添加剂之间的轨道耦合，可绕开传统掺杂机制的局限，在单一双极型有机半导体中实现p/n迁移率的协同提升。这一策略对离子型、p-型和n-型添加剂均具有良好兼容性，为高性能双极型有机半导体材料及互补逻辑电路的发展提供了新的设计原则和评价指标。研究成果有望推动有机电子学在柔性电子、可穿戴器件和新型集成电路等领域的进一步应用。

论文共同第一作者包括南方科技大学校长卓越博后刘谦、东京科学大学JSPS研究员何宛儿及南科大材料科学与工程系博士生张双哲。南方科技大学为论文第一单位，Aung Ko Ko Kyaw教授为主通讯作者，刘谦博士、东京科学大学Tsuyoshi Michinobu教授、昆士兰科技大学Prashant Sonar教授为共同通讯作者。本研究还得到了南方科技大学陈晓龙教授、李磊教授等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202513065

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇