與客戶同行 | 燕山大學許凱課題組：在離子與電子之間，尋找有機電子器件的下一種可能

燕山大學材料科學與工程學院副教授、高分子材料系主任許凱，長期圍繞有機/聚合物半導體材料，致力于材料加工、薄膜聚集態調控、器件機理及性能等問題研究。2020 年入職燕山大學后，他依托亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，繼續推進導電聚合物及有機電子器件相關研究，探索其在柔性傳感、低電壓信號轉換和集成化器件中的應用可能。

“我們關注的核心問題，是離子和電子如何在導電聚合物中傳遞，以及二者之間如何耦合。”許凱介紹，沿著這一思路，課題組將研究延伸到有機電化學晶體管（OECT）。這類器件能夠利用離子-電子耦合，在較低工作電壓下實現信號調控和轉換，因而在代謝傳感、生物傳感、柔性貼片式監測等方向具有潛在應用價值。

許凱老師（第一排左二）與同學的合影

許凱與有機電子器件方向的聯系始于博士階段。早期，他關注OLED等有機電子器件，也見證了相關技術從實驗室研究逐步走向產業化。后來在國外科研經歷中，他接觸到導電聚合物摻雜、離子摻雜以及有機電化學晶體管等方向，并逐漸意識到，這類體系既有豐富的基礎科學問題，也有清晰的應用前景。

“這是一個漸進的過程。”許凱說，導電聚合物摻雜，過去常采用小分子摻雜方式，但這類方法往往難以定量。電化學過程則可以通過電信號調控摻雜程度，讓研究者更清楚地分析材料狀態和器件行為。

2020年，許凱回國入職燕山大學，繼續沿著這一方向推進。一方面研究基本機理，另一方面嘗試將其推向更具體的傳感應用。今年4月，許凱課題組與合作者，在Science Advances在線發表相關成果，圍繞高穩定性雙極性有機電化學晶體管中的離子-電子耦合機制展開研究。對他而言，器件性能只是結果，更重要的是理解結果背后的材料變化。

為了讓研究真正開展起來，實驗室建設是第一步。依托學校啟動經費和燕山大學材料學科平臺，許凱課題組逐步建立起從器件加工、性能測試到材料表征的一整套條件。蒸鍍、旋涂、3D打印、電化學測試、電子順磁共振波譜儀等設備，為課題組日常研究提供了基礎；亞穩材料全國重點實驗室的表征平臺，也為材料結構分析提供了支撐。

在這些工具中，EPR是理解導電聚合物摻雜過程的重要一環。導電聚合物在摻雜過程中會產生可移動載流子，也可能形成自由基、極化子等活性物種。EPR能幫助研究者判斷這些物種是否存在，并對材料狀態進行一定程度的半定量分析。

2021年，許凱課題組引入國儀量子臺式電子順磁共振波譜儀，這也是當時燕山大學的第一臺EPR設備。

國儀量子臺式電子順磁共振波譜儀EPR200M

近五年使用下來，這臺設備給許凱留下的最直接印象是穩定。“這幾年設備本身沒有出過什么問題，整體穩定性還是挺好的。”他說。對于課題組而言，穩定意味著實驗安排更可控，也意味著學生可以把EPR當作日常研究工具。

性能方面，這臺EPR能夠滿足課題組對導電聚合物薄膜等樣品的測試需求，幫助他們觀察摻雜過程中的關鍵物種。臺式設備的便利性也讓測試更貼近實驗節奏，樣品做好后，學生可以及時測試，不必頻繁排隊等待。

許凱也提到，國儀量子的技術支持響應較快。無論是粉末、液體等不同樣品類型的測試溝通，還是液氮功能等操作細節，工程師都能通過溝通群及時協助。“相對來說還是比較省心的。”他說。

從學界到產業界，導電聚合物的價值正在被重新認識。它早已不只是“能導電的有機材料”，而是逐漸成為連接電子、離子以及生物/化學信號的重要材料平臺, 這也正是許凱課題組持續關注的問題。

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