真有趣！维生素C在有机半导体中神奇妙处，可惜99%的人不知道！

【科学背景】

在有机半导体（OSCs）领域，随着对柔性、可穿戴和大面积电子器件实际应用的不断探索，n型OSC作为基础电子元件的重要材料日益引起关注。然而，n型OSC长期以来面临着稳定性差、性能低和候选材料匮乏等多重挑战。这些问题的根源在于电子传输的不稳定性，主要由于化学退化和外源氧化物种引起的电子捕获。尽管通过提高n型OSC的电子亲和力来改善其抗氧化性能，但在设备运行期间产生的有机自由基阴离子却因热力学不稳定而易于与氧气和水反应，导致器件稳定性不佳。

直到最近，天津大学胡文平-李立强课题组等人合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C”的最新论文。他们提出了一种创新的通用策略，利用维生素C（VC）的抗氧化性质来稳定n型OSC及其器件性能。维生素C通过清除反应性氧物种（ROS），如超氧阴离子、单线态氧和羟基自由基，显著减少了这些物种对n型OSC的破坏作用。具体而言，VC通过牺牲性氧化和非牺牲性三重态猝灭的级联过程，不仅持久地防止了分子结构的氧化损伤，还钝化了潜在的电子陷阱，从而稳定了电子传输。

本研究不仅仅是在实验室条件下取得了成功，还展示了在实际应用中，即使是空气不稳定的n型OSC也能够得到稳定。此外，考虑到维生素C的低成本和广泛可获取性，这种策略具有显著的工业化潜力。例如，VC-PU复合材料的成本仅占整个器件成本的0.3%，这使得大规模生产和商业化应用变得可行。

【科学亮点】

1.作者开发了一种基于维生素C的通用策略，利用其抗氧化性能清除ROS，显著提升了n型OSC及其器件的稳定性和性能。通过维生素C的介入，作者成功抑制了活性氧物种（ROS），如超氧阴离子（O2−）、单线态氧（1O2）和羟基自由基（OH•）对n型OSC的损害。

2.进一步分析显示，维生素C不仅提高了器件的初始稳定性，还显著延长了其使用寿命，尤其是在环境条件不稳定的情况下。

3.此外，维生素C作为一种廉价且商业化程度高的物质，其在设备制造中的成本较低，对大规模工业化具有重要意义。

4.这种策略不仅适用于n型OSC，还能推广到更广泛的有机材料，包括p型半导体、导电聚合物和发光分子，以及其他新兴材料如二维材料和钙钛矿，向太阳能电池、发光二极管等电子器件的发展方向。

【科学图文】

图1：VC提升n型有机半导体的抗氧化性能。

图2. VC提升n型有机半导体器件性能。

图3. VC提升n型有机半导体器件稳定性。

图4. VC抗氧化策略在OFET阵列及逻辑电路元件中的应用。

【科学结论】

传统上，n型OSC由于其电子传输的不稳定性而受到限制，主要由于外源性氧化物种引起的化学退化和电子捕获。本研究首次采用维生素C作为一种新颖的策略，通过清除活性氧物种（ROS），如超氧阴离子、单线态氧和羟基自由基，有效防止了这些有害物质对n型OSC的破坏。这不仅在实验中得到了验证，也为解决n型OSC长期以来的稳定性问题提供了创新的思路。

此外，维生素C的广泛应用性和商业可行性进一步加强了这一策略的科学启迪。作为一种廉价且易获取的化合物，维生素C在现代医药和食品工业中已有广泛应用，其在有机电子领域的应用潜力显而易见。本研究不仅展示了维生素C在改善n型OSC稳定性方面的独特效果，还为未来探索其他抗氧化剂或ROS清除剂在有机电子材料中的应用奠定了基础。

综上所述，本研究不仅为有机半导体领域的研究提供了新的技术进展，还深化了对抗氧化剂在电子器件中应用的理解。未来的工作将集中于进一步优化和开发新型ROS清除剂，以推动n型OSC及其他有机材料向更广泛应用的转化，为可持续发展和高效能电子器件的实现做出贡献。

文献信息：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