我国科研团队在有机半导体高性能电荷输运领域取得颠覆性进展——首次在未掺杂有机半导体材料中，实现了低至8 K的超宽温区金属型输运，性能指标直逼无机半导体，彻底打破了行业内对有机材料性能上限的固有偏见。这项成果由南京大学牵头，联合英国剑桥大学、北京理工大学等中外科研力量协同攻关完成。

金属型输运作为一种特殊的电荷输运行为，特征是材料电导率随温度降低而升高，这一特性在单晶硅等无机半导体中较为常见，也是高性能电子器件的关键性能支撑。但在有机半导体领域，由于分子间仅依靠弱范德华力结合，分子排列的动态无序性强，电荷载流子易受分子振动、库仑相互作用影响而局域化，宽温区金属型输运的实现一直是行业公认的技术难题，也成为制约有机半导体向高性能领域渗透的瓶颈。


针对这一痛点，研究团队另辟蹊径，基于超薄单晶中分子层间共轭耦合增强技术，创新提出并验证了“范德华桥联的分子双层输运网络”这一超二维电荷输运新机制。这一机制的价值的在于多维度解决了有机半导体的固有缺陷：通过范德华桥联结构强化层间电荷隧穿效率与轨道耦合程度，同时大幅提升材料结构刚性，有效抑制分子热振动带来的动态无序；更关键的是，该结构能显著削弱电荷载流子之间的库仑相互作用，为电荷的高效输运扫清障碍。


实测数据充分印证了这一技术方案的优越性。在未进行任何掺杂处理的有机半导体材料中，团队成功观测到低至8 K（约-265℃）的超宽温区金属型输运现象，材料电导率达到245 S cm?1，霍尔迁移率突破100 cm2 V?1 s?1。这一组数据极具行业标杆意义——不仅大幅刷新了有机场效应晶体管的已知性能上限，其电导水平更是直接看齐重掺杂硅、宽禁带GaAs等传统无机半导体材料。要知道，此前有机半导体的金属型输运多局限于极窄温区，且性能与无机材料存在量级差，这一突破真正实现了有机材料在电学性能上对无机材料的“追平”。


团队在后续研究中通过可控引入缺陷，首次在有机半导体体系中清晰捕捉到无序驱动的金属绝缘体相变及量子临界标度行为。这一罕见现象的发现，不仅将经典无机半导体与强关联电子体系中的量子相变物理理论拓展至有机领域，更为有机Mott–Anderson体系的研究提供了可精准调控的理想模型平台，为后续探索有机半导体的量子调控特性奠定了基础。


从行业影响来看，该研究不仅打破了“弱范德华作用必然导致低温载流子局域化”的传统认知，更突破了“有机材料性能难以媲美无机材料”的固有壁垒。对于仪器设备领域而言，高性能有机半导体的突破有望推动柔性电子器件、低温探测仪器、高灵敏度传感器等产品的升级迭代，为有机电子材料从基础研究走向器件化、产业化提供了全新路径。