摘要：近日，北京大学裴坚团队在Nature发文，突破有机集成电路关键技术，实现高分子半导体亚微米级光控精准掺杂；南京大学黄小强团队在Nature发文，开辟不对称电酶催化新赛道。

导读

近日，北京大学裴坚团队在Nature发文，突破有机集成电路关键技术，实现高分子半导体亚微米级光控精准掺杂；南京大学黄小强团队在Nature发文，开辟不对称电酶催化新赛道。

有机集成电路产业化的“卡脖子”难题：高精度区域掺杂困境

半导体技术是驱动信息革命的核心力量。在半导体集成电路制造过程中，区域掺杂的空间精度直接决定晶体管性能、电路集成度及器件可靠性等关键指标。随着器件尺寸不断缩小，对区域掺杂精度的要求持续提升。然而，有机高分子半导体的传统掺杂策略面临两大根本性挑战：其一，掺杂剂与半导体接触即发生不可逆反应，难以实现高分辨率的精确控制；其二，现有的区域掺杂方法（如掩模蒸镀、喷墨打印等）工艺复杂、成本高，且精度和重复性无法满足高密度集成的要求。因此，缺乏高精度区域掺杂技术已成为制约有机高分子半导体在柔性显示、生物传感以及集成光电器件等前沿应用中的关键瓶颈。

三项核心突破，改写有机高分子半导体掺杂技术范式

近日，北京大学裴坚教授团队在Nature上发表突破性研究成果，首次开发出一类可光激活的掺杂剂前体分子（iPADs, inactive photoactivable dopants），该类分子在光照条件下可原位转化为高活性掺杂剂（PADs, photoactivable dopants），实现对有机高分子半导体的高效、精准、原位掺杂。该策略突破了传统方法在区域精度与掺杂可控性方面的限制，首次实现了有机高分子半导体亚微米级超高精度n型掺杂，获得了超过30 S/cm的优异电导率，并在此基础上实现有机集成电路的精准光控加工，为有机电子产业带来革命性突破。

裴坚团队创新性地开发出光控有机高分子半导体掺杂技术，在基础研究和应用技术方面实现了三项核心突破（图一）：

1. 创新掺杂机制：通过构建具备“热惰性/光激活”特性的掺杂剂前体分子（iPADs），首次实现了有机高分子半导体掺杂过程的精准可控。该分子在未受光激发前保持化学反应惰性，可兼容光刻胶烘烤、热蒸镀等主流微纳加工工艺；经紫外光照射后快速转化为高活性掺杂剂（PADs），实现对共轭高分子半导体的高效n型掺杂，电导率提升最高可达9个数量级。

2. 普适性与高效率兼备的掺杂能力：现已开发出多种掺杂剂前体分子体系，成功应用于10余种典型有机高分子半导体，普遍实现电导率提升6个数量级，极大拓展了有机高分子半导体材料的应用场景。

3. 针对有机集成电路实现亚微米级图案化掺杂：该光控掺杂技术与现有半导体工业的光刻流程高度兼容，首次在有机高分子材料中实现亚微米尺度的区域掺杂精度，为高性能有机集成电路的构建提供了关键支撑，具备重要的工艺可行性与产业转化潜力。

图一、a.光激活掺杂机制以及掺杂剂的基本化学结构；b.可被掺杂的部分高分子半导体化学结构；c. 光激活掺杂过程示意图。有机高分子半导体与可光激活掺杂剂（iPADs）在溶液中共混，通过旋涂或滴涂的方式制备成薄膜，随后在区域选择性光激活下，iPADs转化为高活性掺杂剂（PADs），实现有机高分子半导体高精度n型掺杂。

该论文通讯作者为北京大学化学与分子工程学院裴坚教授，第一作者为北京大学博士毕业生王馨怡。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、北京分子科学国家研究中心的资助；并在北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）、北京大学电子显微镜实验室、北京大学高性能计算平台、上海同步辐射光源的支持下完成了相关研究工作。

论文信息

Xin-Yi Wang, Yi-Fan Ding, Xiao-Yan Zhang, Yang-Yang Zhou, Chen-Kai Pan, Yuan-He Li, Nai-Fu Liu, Ze-Fan Yao, Yong-Shi Chen, Zhi-Hao Xie, Yi-Fan Huang, Yu-Chun Xu, Hao-Tian Wu, Chun-Xi Huang, Miao Xiong, Li Ding, Zi-Di Yu, Qi-Yi Li, Yu-Qing Zheng, Jie-Yu Wang, Jian Pei*, Light-triggered Regionally Controlled n-Doping of Organic Semiconductors, Nature, 2025, DOI:10.1038/s41586-025-09075-y，https://doi.org/10.1038/s41586-025-09075-y

裴坚教授自2001年起在北京大学化学与分子工程学院任职，长期致力于共轭高分子与有机光电材料研究，2004年获基金委杰出青年基金资助；2010年获第五届“中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖”；2011年获第七届“北京市高等学校教学名师奖”；2011年获“宝钢优秀教师奖”；2013年被聘为教育部长江学者特聘教授；2013年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖；2014年获第三届“中国化学会-赢创化学创新奖”、国家级教学成果二等奖；2016年获北京市科学技术二等奖。

近年来，人工酶和光酶催化等策略的发展，不断突破生物合成的边界。另一方面，电化学合成作为化学合成领域快速发展的创新工具，具有廉价、电势可控和可持续等多重优势。当前电化学合成与酶催化的结合主要集中在以下两类（图1）：通过电化学来实现酶的辅因子再生，继而实现酶的天然反应；电化学生成的中间体或底物参与后续酶催化天然转化中（电化学/酶级联）。然而，如何利用电化学驱动酶催化，去解锁非天然的新催化模式，仍待突破。

图1.电催化与酶催化结合现状

黄小强自2021年开展独立研究以来，通过酶学机制设计和蛋白定向进化改造策略，成功开发了几类新酶催化功能。在光酶催化领域，黄小强团队首创焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖的自由基酰基转移酶（Nature 2024, 625, 74：南京大学黄小强/梁勇及合作者Nature：创制新光酶元件，引领光生物制造新方向；Nature 2025, 637, 1118：Nature！南京大学黄小强团队推动光酶领域到复杂多组分转化），突破了不对称生物合成的边界。在此基础上，团队在不对称电酶催化领域取得新突破：融合二茂铁甲醇介导的阳极氧化和ThDP依赖酶催化，解锁了电酶催化的动态动力学氧化新体系（图2）。团队开发的电酶协同催化策略，创新性地将2次单电子氧化机制引入酶中，结合定向进化技术优化蛋白的活性中心，最终成功赋予了ThDP依赖酶催化动态动力学氧化的新活性。该体系以清洁电能替代传统化学氧化剂，可在较低酶负载量下（0.05 mol%），实现布洛芬、萘普生等十种(S)-芳基丙酸类抗炎药物的高效合成，对映选择性高达99% ee，并兼容全细胞催化与规模化制备。

图2.新型电酶不对称催化体系的开发

图3.条件筛选与规模化制备

该电酶催化体系展现出卓越的底物普适性与官能团兼容性（图4）。针对结构多样的外消旋α-支链醛类化合物，可实现精准的手性控制，高效转化为α-手性羧酸产物（最高99% ee）。文章展示了25个例子，实验成功制备了十种具有生物活性的(S)-丙酸类药物（2p-2y），包括氟比洛芬、布洛芬、萘普生等，产率良好至优异，对映选择性最高达99% ee。同时，该电酶催化方案可以以相同的效率和对映选择性放大到1 mmol级别。

图4.代表性底物谱

研究团队运用湿实验、电子顺磁共振（EPR，中科大/强磁场中心于璐教授团队完成）及计算模拟等手段，阐明了电化学驱动下ThDP酶活性中心的催化机制及其立体选择性的来源。详细内容请参考原文。

该工作通讯单位为全国重点实验室、化学和生物医药创新研究院、化学化工学院、前沿交叉科学研究中心。南京大学化学化工学院2022级博士研究生赵贝贝和许园园为论文的共同第一作者；黄小强特聘研究员为通讯作者。该工作得到了南京大学启动经费、国家重点研发计划项目（2022YFA0913000）、国家自然科学基金（22225703, 22277053, 224B2705, 223B2703, 22437005）、中央高校基本科研业务费专项基金项目（0205/14380346）等项目的支持。

论文链接：Wang, XY., Ding, YF., Zhang, XY. et al. Light-triggered regionally controlled n-doping of organic semiconductors. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09075-y

黄小强，南京大学化学化工学院、化学和生物医药创新研究院、配位化学国家重点实验室特聘研究员，博士生导师。2009-2015年在北京大学药学院完成本硕连读（导师：焦宁教授），2019年于德国马尔堡大学获得博士学位（导师：Eric Meggers），2019到2021年在美国伊利诺伊大学香槟分校从事博士后研究（合作导师：Huimin Zhao）。已在Nature, Nat. Catal., Nat. Commun., JACS, ACIE, Acc. Chem. Res.等期刊发表多篇论文。

来源：化学加