4.3 我国在该领域的学术地位及学科发展动态
2000年诺贝尔化学奖获得者Heeger、MacDiarmid和Shirakawa三位科学家于1977年发现高分子导电现象,开启了光电高分子材料研究的长河。我国的相关研究起始于20世纪70年代末,基本与国际同步,钱人元、王佛松、沈家骢、沈之荃等前辈科学家在导电聚合物方面做出了巨大贡献。从20世纪90年代开始光电材料逐步向有机共轭高分子材料方向发展,OLED、OFET、OPV等领域的有机光电功能分子材料和器件方面取得了诸多有重要影响的成果,并培养了大量国内科研顶尖团队,为推动有机光电功能半导体分子材料的发展做出了重要的贡献。
4.3.1 OLED
OLED目前的基础研究热点在于解决基础蓝光材料的稳定性问题,可湿法加工的稳定传输层问题,新型高效率发光材料,柔性器件,基本器件物理等几个方面。我国在各类发光材料的研究上几乎和国外同步,甚至在部分材料方面略有领先,开发出不少效率较高的发光材料和稳定的传输材料。如我国科研团队利用三线态金属配合物/聚合物复合薄膜在国际上首次实现电致磷光[66],对磷光材料有重要贡献。在商用化领域,OLED显示技术逐渐成为主流,并逐渐朝着柔性化、超薄化、透明化等方向发展。国内在相关领域的发展以京东方为代表,在基础材料研发和产品应用已经实现了从0到1的跨越。柔宇科技联合维信诺,于2016年发布了柔性可挠曲显示屏,创维电视在2019年的SID会展和IFA会展均展示其大尺寸的透明AMOLED电视。各大显示技术公司和智能终端厂商都在积极布局AMOLED显示,逐渐和Samsung,LG Display形成竞争。京东方、维信诺、天马、龙腾光电、TCL、广东聚华等国内面板企业都投入巨大进行OLED的产业化。同时大量国内科研顶尖团队也为发展做出了重要的贡献,如华南理工大学的马於光、苏仕健、曹镛团队等,苏州大学的张晓宏、廖良生、唐建新、蒋左权团队等,南京工业大学的黄维、王建浦、安众福、赵强团队等,武汉大学的杨楚罗团队等,中科院理化所的汪鹏飞、王鹰团队等,清华大学的邱勇、段炼团队等,长春应化所的王利祥、韩艳春、马东阁团队(华南理工大学)等,吉林大学的李峰、王悦团队等,黑龙江大学的许辉、韩春苗团队等,香港科技大学的唐本忠团队等,香港城市大学的Chun-Sing Lee团队等,国立台湾大学的Pi-Tai Chou团队等,云南大学的吕正红团队等,浙江大学的张启胜、狄大伟团队等。
4.3.2 OFET
1996年我国科学家朱道本、刘云圻、胡文平等科学家开始OFET领域的研究,目前国内在OFET材料和器件方面的研究已经达到国际领先水平。聚合物半导体材料通过分子结构的可设计性实现电学性能的调控,在传感器、电子皮肤、柔性屏驱动等新兴领域得到了广泛的应用。如邱龙臻等[67]通过棒涂制膜法成功制备了(4×4)cm2的大面积柔性OFET阵列,该柔性阵列可以贴服于手背。陈惠鹏等人[68]通过喷墨打印法制备了垂直结构的柔性OFET器件。该器件具有高的电流密度,因此可被用于分辨率达100单位/cm2的图像传感。最近几年,聚合物半导体材料取得实质性发展,为了将OFET器件应用于仿生电子皮肤,其材料的自修复性能也是研究的一大重点,美籍华人科学家鲍哲南等[69-71]通过在共轭聚合物里引入动态非共价交联制备了可拉伸和可自我修复的半导体材料,可得到5×5大面积的柔性可拉伸器件。器件受损后,其迁移率可通过加热与溶剂蒸汽法得到恢复。他们进一步将弹性导电的碳纳米管和银纳米线加入可动态交联的可拉伸聚合物中,得到了可自我修复的电极。将其应用于多功能可拉伸和可自我修复的电子皮肤,实现了应力的检测和心电图的传感,这方面的研究我国还需要更多突破性的工作。国内在该领域的研究团队有中科院化学所的朱道本、刘云圻、张德清、于贵、郭云龙、江浪、董焕丽、狄重安、易院平团队等,北京大学的裴坚、王婕妤团队等,天津大学的胡文平、耿延候、李立强团队等;清华大学的邱勇、董桂芳团队等,苏州大学的迟力峰、揭建胜、王旭东团队等,长春应化所的闫东航、韩艳春、王志远团队等,上海有机所的李洪祥、高希珂团队等,兰州大学的张浩力、邵向锋团队等,武汉大学的李振、杨楚罗团队等,福州大学的陈辉鹏团队等,华南理工大学的马东阁团队等,华中科技大学的王帅团队等,南方科技大学的郭旭岗团队等,同济大学的黄佳团队等,上海交通大学的郭小军团队等,青岛能源所的万晓波团队等,合肥工业大学的邱龙臻团队等,香港中文大学的缪谦团队等,香港城市大学的Alex K.Y. Jen团队等,香港浸会大学的朱福荣团队等,台湾国立交通大学的Yen-Ju Cheng团队等。
4.3.3 OPV
OPV具有器件结构简单、重量轻、可制备柔性和半透明器件等突出优点,受到国内外广泛关注。Heeger等在1995年首次将聚合物MEH-PPV应用于OPV。曹镛、李永舫是我国于2000年前后最早开展OPV材料和器件方面研究的科学家。随着我国大量人才和资金的投入,目前国内在OPV材料和器件方面的研究已经达到国际水平。2015年,占肖卫等报道了一种窄带隙有机小分子受体ITIC,将其与宽带隙聚合物给体匹配,使得OPV器件的转换效率迅速提升至11%,超过基于富勒烯衍生物受体的OPV器件。其后非富勒烯受体占据了有机光伏受体材料的主导地位,中国科学家在非富勒烯OPV材料和器件的研究方面一直处于引领地位。除以上团队外,国内相关的研究团队如中科院化学所的侯剑辉、詹传朗、朱晓张、林禹泽团队等,中科院宁波所的葛子义团队等,北京化工大学的李韦伟、张志国、谭占鳌团队等,清华大学的王朝晖团队等,国家纳米中心的丁黎明团队等,北京航空航天大学的孙艳明团队等,电子科技大学的于军胜团队等,中南大学的邹应萍团队等,南开大学的陈永胜团队等,华南理工大学的黄飞、叶轩立团队等;山东大学的郝晓涛团队等,北京交通大学的张福俊、刘烽团队等,武汉理工大学的王涛团队等,香港中文大学的路新慧团队等,香港科技大学的颜河团队等,南方科技大学的郭旭刚、何凤团队等,苏州大学的马万里、张茂杰团队等,暨南大学的侯林涛团队等。
4.3.4 OTE
自1821年德国物理学家Seebeck首次发现热电效应以来,有机热电材料得到快速发展,基于导电聚合物的热电优值ZT更是达到了0.4以上,可以媲美无机热电材料的室温值。有机热电器件在废热回收、柔性自充电电子设备、制冷等领域有着广阔的应用前景。虽然我国涉足该领域较晚,但相关的研究成果可以达到并跑的阶段,尤其在N型OTE材料方面,中国科学院化学研究所的朱道本、徐伟、狄重安团队等,北京大学裴坚团队等科学家开发出多种新型OTE材料并进行了系统的研究。除以上团队外,国内相关的研究团队如华南理工大学的马於光团队等,清华大学的帅志刚团队等,上海硅酸盐研究所的陈立东团队等,江西科技师范大学的徐景坤团队等,复旦大学的梁子骐团队等,天津大学的焦飞团队等。
4.3.5 OSV
有机半导体分子材料除具有优异的自旋输运性质,还具有丰富的光电功能特性。基于有机半导体分子材料的光电功能特性构建功能性自旋电子器件,以长距离自旋输运为基础是有机自旋电子学领域的新兴研究方向,具有重要的研究意义和领域前瞻性。但OSV领域目前仍处于起步阶段,有机半导体分子材料、微观结构聚集态、器件性能之间关系的系统性研究仍需加强。国内在该领域的研究团队有中国科学院化学研究所的于贵团队等,合肥强磁场中心的张发培团队等,南京大学的吴镝团队等,国家纳米中心的孙向南团队等,天津大学的胡文平、米文博团队等,吉林大学的李峰团队等,复旦大学的沈剑团队等,东北大学的张宪民团队等,山东大学的解志杰团队等,北京交通大学的胡斌团队等。