重新审视熵在一维π共轭半导体中电荷分离中的作用

《Advanced Materials》：Revisiting The Role of Entropy for Charge Separation in 1D Pi-Conjugated Semiconductors

自由载流子生成机制及熵效应对1D有机半导体的影响研究。通过掺杂单壁碳纳米管在低介电溶剂中的微波电导率实验，发现大体积掺杂剂促进载流子逃逸，数值计算表明熵效应显著降低吉布斯自由能势垒，解释了1D系统中高自由载流子产率现象，为有机电子器件设计提供新理论依据。

　　

摘要

在有机供体/受体异质结和氧化还原掺杂的有机半导体中，自由载流子的产生机制尚未得到充分理解，因为人们原本认为电子-空穴结合紧密，但这与实际观察到的高自由载流子产率相矛盾。过去15年来，该领域的主要研究理论认为，熵可以在二维和三维的π共轭半导体中稳定自由电荷，但在一维系统中则不行。本文通过一个极度简化的模型重新探讨了熵对一维π共轭半导体中电荷产生的影响。在这个模型中，仅从焓的角度来看，自由电荷的产生本应是不可能的。研究人员利用非接触式溶液相微波测量技术，研究了在低介电常数溶剂中化学掺杂的单壁碳纳米管中载流子密度依赖的导电性和介电常数。掺杂剂的化学结构显著影响了载流子密度依赖的复合导电性：大体积的掺杂剂即使在每个纳米管中只有少量载流子时，也能促进载流子的释放。三项不同的数值计算表明，熵的稳定作用显著降低了自由电荷产生的吉布斯能垒，从而解释了即使在一维系统中也能观察到高自由载流子产率的现象。这种对熵在载流子产生过程中作用的新认识，对于设计有机电子设备（如太阳能电池和热电能量收集器）具有重要意义，有助于提高载流子产率、导电性和器件性能。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。