Nanoscale doping of polymeric semiconductors with confined electrochemical ion implantation

兴奋剂 材料科学 纳米技术 半导体 掺杂剂 电解质 有机半导体 光电子学 化学 电极 物理化学
作者
Lanyi Xiang,Zihan He,Chaoyi Yan,Yao Zhao,Zhiyi Li,Lingxuan Jia,Ziling Jiang,Xiaojuan Dai,Vincent Lemaur,Yingqiao Ma,Liyao Liu,Qing Meng,Ye Zou,David Beljonne,Fengjiao Zhang,Deqing Zhang,Chong‐an Di,Daoben Zhu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:19 (8): 1122-1129 被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41565-024-01653-x
摘要

Nanoresolved doping of polymeric semiconductors can overcome scaling limitations to create highly integrated flexible electronics, but remains a fundamental challenge due to isotropic diffusion of the dopants. Here we report a general methodology for achieving nanoscale ion-implantation-like electrochemical doping of polymeric semiconductors. This approach involves confining counterion electromigration within a glassy electrolyte composed of room-temperature ionic liquids and high-glass-transition-temperature insulating polymers. By precisely adjusting the electrolyte glass transition temperature (Tg) and the operating temperature (T), we create a highly localized electric field distribution and achieve anisotropic ion migration that is nearly vertical to the nanotip electrodes. The confined doping produces an excellent resolution of 56 nm with a lateral-extended doping length down to as little as 9.3 nm. We reveal a universal exponential dependence of the doping resolution on the temperature difference (Tg − T) that can be used to depict the doping resolution for almost infinite polymeric semiconductors. Moreover, we demonstrate its implications in a range of polymer electronic devices, including a 200% performance-enhanced organic transistor and a lateral p–n diode with seamless junction widths of <100 nm. Combined with a further demonstration in the scalability of the nanoscale doping, this concept may open up new opportunities for polymer-based nanoelectronics. A simple manipulation of an electrolyte's glass transition enables nanoresolved electrochemical ion implantation doping in a variety of polymeric semiconductors.
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