卡文迪什物理学家发现了两种改进有机半导体的新方法。他们找到了一种方法，可以从材料中去除比以前更多的电子，并在非平衡态环境中利用意想不到的特性，提高其在电子设备中的性能。

卡文迪什实验室博士后研究员 Dionisius Tjhe 博士表示：“我们确实想一针见血，弄清楚在聚合物半导体中大量掺杂时会发生什么。”掺杂是在半导体中移除或添加电子的过程，以提高其承载电流的能力。

在最近发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中，Tjhe 和他的同事详细介绍了这些新见解如何有助于提高掺杂半导体的性能。

掺杂程度达到前所未有的能带

固体中的电子被组织成能带。最高能带称为价带，控制着许多重要的物理特性，如电导率和化学键合。有机半导体中的掺杂是通过从价带中去除一小部分电子来实现的。然后空穴(电子缺失)可以流动并导电。

“传统上，有机半导体价带中只有 10% 到 20% 的电子被移除，这已经远远高于硅半导体中典型的百万分之一水平，”Tjhe 说道。“在我们研究的两种聚合物中，我们能够完全清空价带。更令人惊讶的是，在其中一种材料中，我们甚至可以走得更远，从下面的带中移除电子。这可能是第一次实现这一目标!”

有趣的是，与顶部价带相比，较深价带的电导率明显更高。“希望深能级中的电荷传输最终能够带来更高功率的热电设备。这些设备可以将热量转化为电能，”卡文迪什实验室博士后研究员、该研究的共同第一作者任兴龙博士说。“通过寻找具有更高功率输出的材料，我们可以将更多的废热转化为电能，使其成为更可行的能源。”

为什么在该材料中观察到了这种现象?

尽管研究人员认为，在其他材料中也有可能实现价带清空，但这种效应在聚合物中可能最容易实现。Tjhe 表示：“我们认为，我们聚合物中能带的排列方式以及聚合物链的无序性质使我们能够做到这一点。”

“相比之下，其他半导体，如硅，可能不太可能产生这些效应，因为在这些材料中清空价带更困难。了解如何在其他材料中重现这一结果是至关重要的下一步。这对我们来说是一个激动人心的时刻。”