Nanoscale doping of polymeric semiconductors with confined electrochemical ion implantation

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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 [Springer Nature]
卷期号:19 (8): 1122-1129 被引量:11
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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