加州的硅谷(Silicon Valley)和犹他州的硅坡(Silicon Slopes)都是以与半导体最相关的元素命名的，而半导体是计算机革命的支柱。任何计算机化或电子化的东西都依赖于半导体，半导体是一种在一定条件下具有导电特性的物质。传统的半导体是由无机材料制成的，比如硅，这需要大量的水和能源来生产。

多年来，科学家们一直在尝试使用聚合物等有机材料制造环保替代品。聚合物是由小分子连接在一起形成长链而形成的。聚合过程避免了传统半导体制造中需要的许多能源密集型步骤，使用的水、气体和化学品也少得多。

它们的制造成本也很低，而且可以使柔性电子设备、可穿戴传感器和生物相容性设备引入体内。问题是它们的导电性虽然好，但不如无机材料高。

所有电子材料都需要掺杂，这是一种将分子注入半导体以提高导电性的方法。科学家们使用一种叫做掺杂剂的分子来定义电路的导电部分。在有机材料中掺杂一直困扰着科学家，因为掺杂物缺乏一致性——有时掺杂物提高导电性，有时掺杂物使导电性变差。

在一项新的研究中，来自犹他大学和马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的研究人员发现了驱动掺杂剂和聚合物相互作用的物理原理，从而解释了电导率不一致的问题。

研究小组发现，带正电荷的载流子会将带负电荷的掺杂物从聚合物链上拉下来，从而阻止电流的流动，降低材料的导电性。然而，他们的实验表明，当向系统中注入足够的掺杂剂时，电子的行为就会发生变化，成为抵御引力的集体屏障，使其余的电子能够畅通无阻地流动。

“理想的情况是将一堆自由电子倾倒到材料中来完成导电的工作。当然，我们不能——我们必须使用分子来提供电子，”Zlatan Akšamija说，他是美国大学材料科学与工程副教授，也是这项研究的主要作者。“我们的下一步是找到可以削弱这种相互作用并使电导率更高的掺杂剂/有机材料组合。但直到现在，我们还没有很好地理解这种相互作用，无法解决它。”

这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。

掺杂液电导率

电是一种电子流。硅本身是一个坏导体——外轨道上的四个电子与附近的硅原子形成完美的共价键，没有留下自由电子。这就是兴奋剂的用武之地。在硅中加入杂质可以做两件事:向体系中添加额外的电子或减少体系中的电子，从而产生带正电的载流子，称为空穴。

例如，砷是一种常见的掺杂剂，因为它的外层轨道上有5个电子，其中4个与硅结合，而第5个保持自由。最终，掺杂剂将提供足够的自由电子，以允许电流流过硅。

Akšamija解释说，与硅不同，有机材料的聚合物链结构无序，导致掺杂剂的额外电子与聚合材料之间存在复杂的相互作用。

“想象聚合物是一碗意大利面。它们并不能完美地堆叠在一起。正因为如此，在电压的推动下，电子被迫从聚合物的一部分跳到另一部分，再跳到下一个链上。”

每种掺杂剂一次向系统中贡献一个电子，这意味着，首先，通过聚合物的电子被稀释了。如果一个电子沿着链跳跃并经过掺杂剂附近，相反的电荷就会相互吸引，导致电子偏离轨道，从而扰乱电流。

这项研究的启示是发现这种行为随着系统中电子的临界质量而改变——当超过一个阈值时，电子群集体做出反应。当一组电子通过掺杂剂时，一些电子被吸引向电荷，形成一个屏障，阻止其他电子感受到相互作用。

“这就是筛选真正阻止掺杂物的地方。载体将掺杂物屏蔽掉，这使得其他载体更容易更有效地跳跃。这篇论文描述了这种情况发生的物理机制。”Akšamija说。

实验与理论

马萨诸塞大学阿默斯特分校的化学家们进行了物理实验。他们使用了两种聚合物，这两种聚合物的结构混乱程度不同。然后，他们使用一种溶剂，将其涂在一层薄薄的玻璃上。然后他们在聚合物中掺杂碘蒸气。碘的一个好处是它不稳定——随着时间的推移，聚合物中的掺杂分子会逐渐蒸发掉。

“这对实验很有用，因为我们可以在24或48小时内持续测量聚合物的导电性。这项研究的合著者、麻省大学阿默斯特分校的化学教授Dhandapani Venkataraman说:“这个方案给了我们一个电导率曲线，它是材料中残留掺杂物数量的函数。”

“这是一个巧妙的技巧，可以从低、中、高浓度的掺杂剂中获得近四个数量级的电导率电荷……一直到基本上恢复到原始的原始绝缘状态。”

化学家们对同一种聚合物的两种不同版本进行了实验——一种更规则，另一种更无序。然后，他们可以比较两种聚合物在掺杂剂浓度变化时的电导率。

“起初，我们对一些实验结果感到困惑，特别是当我们有大量的掺杂剂时。我们预计在任何掺杂浓度下，无序聚合物的性能都远不如有序聚合物。但事实并非如此，”文卡塔拉曼说。

Akšamija的研究小组专注于材料的相互作用。他们能够将相同聚合物的不同实例与较大或较小的紊乱进行对比，以辨别筛查发生在哪里。

这种筛选行为从来没有被认为是有机半导体系统的一部分，所以他们挖出纸和铅笔来理解分子和电荷是如何使用第一物理原理相互作用的:控制电荷相互作用的潜在方程是什么?Akšamija的实验室从那里开始，并重新建立起来。然后，他们将公式转换成代码，模拟掺杂剂存在时电子的跳跃，同时包括筛选行为。

“我们终于达到了计算机模拟可以真正捕捉实验的地步，不仅是定性的，而且是定量的。使模拟和实验相一致的唯一方法是当我们包括筛选的影响时，”Akšamija说。

目前，作者正在利用人工智能来帮助发现聚合物和掺杂剂的新组合，从而产生最高的导电性。