為提高性能，科學(xué)家竟然給半導(dǎo)體“補充”維C？

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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在當(dāng)今健康飲食的觀念中，水果已然成為不可或缺的部分。它們不僅以豐富的色彩裝點著我們的餐桌，更以獨特的營養(yǎng)價值和口感挑逗著人們的味蕾。水果中富含的維生素、礦物質(zhì)以及膳食纖維，為人體提供了全面的營養(yǎng)，默默地為我們的健康“保駕護(hù)航”。

維生素C

（圖片來源：veer圖庫）

值得一提的是，水果中含有的維生素C以其卓越的抗氧化能力，在人體中發(fā)揮著重要作用。維生素C能夠有效清除體內(nèi)的自由基，減緩細(xì)胞老化過程，保護(hù)心腦血管健康。自由基是含有不成對電子的分子或原子團(tuán)，它們高度活躍并傾向于與其他分子反應(yīng)，從而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷。

維生素C仿佛是一位勤勞的衛(wèi)士，在我們體內(nèi)構(gòu)建起一道堅實的防線，對抗外界的侵襲。想象一下，當(dāng)你咬下一口鮮甜的橙子，那滿口的果肉和汁水在滿足味蕾需求的同時，還將參與到體內(nèi)抗氧化的“戰(zhàn)斗”。

那么，維生素C抗氧化能力的機(jī)理是什么呢？

維生素C，也被稱為抗壞血酸，是一種水溶性維生素。維生素C抗氧化機(jī)理主要與其自身強(qiáng)大的還原性和清除自由基的能力有關(guān)。

清除自由基：維生素C能夠與這些自由基反應(yīng)，通過提供電子來穩(wěn)定它們，從而阻止它們對細(xì)胞的進(jìn)一步破壞。

再生其他抗氧化劑：維生素C不僅能直接清除自由基，還能通過再生其他抗氧化劑來組成抗氧化的網(wǎng)絡(luò)，間接發(fā)揮抗氧化作用。例如，維生素E是細(xì)胞膜中主要的抗氧化劑，能夠阻止脂質(zhì)過氧化。然而，當(dāng)維生素E與自由基反應(yīng)后，它自身會轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸停瑥亩タ寡趸芰?。此時，維生素C能夠還原氧化型的維生素E，使其恢復(fù)抗氧化活性。

富含維的水果

（圖片來源：veer圖庫）

維生素C的抗氧化性對我們有什么啟發(fā)呢？

半導(dǎo)體被譽為現(xiàn)代科技的基石與未來創(chuàng)新的引擎，它不僅是電子信息產(chǎn)業(yè)的靈魂，更是驅(qū)動智能時代前行的核心動力。其中，有機(jī)半導(dǎo)體以其獨特的分子結(jié)構(gòu)、靈活的設(shè)計空間及環(huán)境友好的加工方式，開辟了一條通往高性能、低成本、環(huán)境友好型電子器件的“高速公路”。

但是，半導(dǎo)體也有它“脆弱”的一面。n型半導(dǎo)體又稱電子型半導(dǎo)體，主要依靠自由電子導(dǎo)電，是發(fā)光二極管、互補電路等基本電氣元件的重要材料。大部分n型半導(dǎo)體對環(huán)境中的水和氧非常敏感，容易被氧化造成電學(xué)性能和穩(wěn)定性的衰減。這個問題一直以來困擾著整個半導(dǎo)體行業(yè)。如果給n型半導(dǎo)體“喂”維C，是否可以和人體一樣獲得抗氧化能力呢？

聽著有道理，做起來也是可行的。2024年6月27日，中國科學(xué)家在《Nature Materials》期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于利用維生素C提高n型有機(jī)半導(dǎo)體的性能和穩(wěn)定性的文章，為解決n型有機(jī)半導(dǎo)體的穩(wěn)定性難題提供了新的思路和方法。

研究成果發(fā)表于《Nature Materials》雜志

（圖片來源：《自然-材料》雜志）

研究者利用維生素C具有抗氧化的作用，將維生素C旋涂在PTCDI-C8（一種n型有機(jī)半導(dǎo)體）薄膜的表面，使該半導(dǎo)體的光氧化降解速率降低為原來的十八分之一，極大地提高了n型有機(jī)半導(dǎo)體的抗氧化能力。

維生素C在n型有機(jī)半導(dǎo)體中是如何發(fā)揮作用的？

研究者利用穩(wěn)定和瞬態(tài)熒光光譜對單線態(tài)氧（活性氧的一種形式）的磷光衰變壽命進(jìn)行了追蹤。實驗結(jié)果表明，經(jīng)維生素C旋涂處理后，單線態(tài)氧在空氣中的壽命從2.7毫秒減少到1.7毫秒，活性氧的氧化能力被削弱。維生素C在n型有機(jī)半導(dǎo)體中的抗氧化原理與在生物體內(nèi)類似，維生素C通過“自我犧牲”的方式，被氧化成脫氫抗壞血酸(DHA)，該過程可以有效清除活性氧，防止活性氧對半導(dǎo)體的氧化。

研究者還發(fā)現(xiàn)脫氫抗壞血酸也具有清除活性氧的作用，這就說明維生素C不僅可以抗氧化，其氧化后的產(chǎn)物也可以持續(xù)清除活性氧，帶來更好的抗氧化效果。

維C，活性氧和PTCDI-C8的分子結(jié)構(gòu)；b-c.紫外-可見吸收光譜；d-e.電子自旋共振信號圖；f.單線態(tài)氧的磷光壽命圖；g.重構(gòu)SAS的目標(biāo)分析；h.三重態(tài)時間軌跡圖；i.穩(wěn)定機(jī)理圖.

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

此外，研究者還揭示了維生素C通過“非犧牲”的方式助力n型有機(jī)半導(dǎo)體的抗氧化能力。具體來說，維生素C和氧化產(chǎn)物引入n型有機(jī)半導(dǎo)體后不會產(chǎn)生新的中間產(chǎn)物，但是會加速半導(dǎo)體中受能量激發(fā)而產(chǎn)生的三重態(tài)激子（可與氧反應(yīng)生成活性氧）的衰敗速率，有效阻斷了活性氧的生成過程。

為驗證維生素C對n型有機(jī)半導(dǎo)體器件穩(wěn)定性的影響，研究者制備了PTCDI-C8有機(jī)場效應(yīng)晶體管，并且在環(huán)境中暴露255天，結(jié)果表明涂有維生素C的晶體管的穩(wěn)定性明顯提升。將該策略應(yīng)用于逆變器時，表現(xiàn)出理想的逆變電壓和更高的增益值，并且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

n型有機(jī)半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

光電領(lǐng)域：n型有機(jī)半導(dǎo)體作為電子傳輸層，在有機(jī)太陽能電池中起著關(guān)鍵作用。它們能夠高效地傳輸光生電子，減少電子在傳輸過程中的損失，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

太陽能電池

（圖片來源：veer圖庫）

有機(jī)場效應(yīng)晶體管：在有機(jī)場效應(yīng)晶體管中，n型有機(jī)半導(dǎo)體材料作為電子傳輸通道，實現(xiàn)了對電子的高效控制和放大，在電子標(biāo)簽、柔性顯示屏和傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

有機(jī)光電探測器：n型有機(jī)半導(dǎo)體在有機(jī)光電探測器中也展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。它們能夠高效地將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在光通信、成像和傳感等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

折疊屏手機(jī)

（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

隨著科技的飛速發(fā)展，跨學(xué)科合作已成為推動創(chuàng)新的重要力量。維生素C從水果到半導(dǎo)體的跨界之旅，不僅展示了自然界的智慧在高科技領(lǐng)域的無限可能，也為我們揭示了跨學(xué)科融合帶來的巨大潛力。展望未來，我們有理由相信，隨著跨學(xué)科合作的不斷深入，更多類似的跨界應(yīng)用將會涌現(xiàn)出來。讓我們保持好奇心和開放的心態(tài)，共同見證科技創(chuàng)新帶來的美好未來！

參考文獻(xiàn)

1.Yuan, L., Huang, Y., Chen, X. et al. Improving both performance and stability of n-type organic semiconductors by vitamin C[J]. Nature Materials, 2024.

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4.朱長林,張文彬,孫鵬,等.維生素C與維生素E的聯(lián)合免疫調(diào)節(jié)及抗氧化作用[J].中國臨床康復(fù), 2006.