有机半导体材料中超快电子特性的发展

韩国浦项科学技术大学（POSTECH）化学系的金基文教授、沈志勋教授和李延尚博士，以及物理系和基础科学研究所人工低维电子系统中心的金俊成教授，成功创造出具有与石墨烯相当的电子迁移率的导电二维聚合物。他们的研究在国际化学期刊《Chem》的在线版上发表。

石墨烯因其电子迁移率比硅快140倍、强度比钢铁高200倍而被称为“梦幻材料”。然而，由于缺少能够调节电流的带隙，无法用作半导体。研究人员一直在积极探索各种方法，希望开发能展现石墨烯异常特性的半导体。其中一种有前途的方法是开发导电聚合物。研究人员正在探索具有融合芳香族骨架的导电聚合物，模拟石墨烯的化学结构，旨在获得卓越的特性。然而，在合成过程中会出现挑战，因为生长中间体之间的层间堆积会妨碍聚合物的正常生长。

在这项研究中，团队利用了三氮杂大多环芳烃，其化学结构类似于石墨烯，并向其周围引入了臃肿的侧链功能团。

通过引入这些侧链功能团的位阻效应，团队成功地抑制了三氮杂大多环芳烃单体在聚合过程中的二维聚合物中间体的堆积。这导致中间体溶解度增加，并促进了具有更高聚合度和较少缺陷的二维聚合物的合成，在p型掺杂后显示出优异的电导率。

值得注意的是，磁输运测量显示出有限的n型载流子下具有连贯的多载流子输运，其迁移率超过3200 cm2 V−1 s−1，相干长度超过100 nm，与低温下空穴载流子迁移率低25000倍形成了鲜明对比。电子和空穴载流子输运之间的这种显著差异归因于费米能级附近空间分离的电子态，其中包括色散带和平带。

来自POSTECH的金基文教授表示，这项研究的意义在于：“我们取得了突破，解决了有机半导体中低电子迁移率的主要挑战，并且在分子水平上控制了电子和空穴的传导路径。” 他补充说：“这项研究为提高各种工业应用中的材料性能，包括电池和催化剂等方面，提供了新的思路。”

这项研究得到了韩国国家研究基金会、基础科学研究所（IBS）和马普POSTECH/KOREA研究计划的支持。