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五院院士、柔性电子学奠基人黄维院士团队,近期成果灿若星辰

作者:admin 发布时间:2020-06-12 12:28点击:

黄维,有机电子学与柔性电子学专家。中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士,教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“973”项目首席科学家。

黄维院士是国际上最早从事聚合物发光二极管显示研究并长期活跃在有机光电子学、柔性电子学领域的知名学者之一。从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息和生命等多个学科、交叉融合发展起来的有机光电子学、柔性电子学等国际前沿学科研究。在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进科技成果转化与战略性新兴产业方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作,是中国有机光电子、柔性电子学科的奠基人与开拓者。他以第一或通讯作者身份在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《自然光子学》(Nature Photonics)、《自然材料》(Nature Materials)、《自然通讯》(Nature Communications)等SCI主流学术期刊发表研究论文560余篇,国际同行引用逾30000余次。获美国、新加坡和中国发明专利授权200余项,出版了《有机电子学》、《生物光电子学》等学术专著。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、教育部自然科学优秀成果奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖等科技奖励,入选“中国高等学校十大科技进展”等。

根据粗略统计,黄维院士近期成果丰硕,下面将对重要研究成果进行分类梳理,分别从光响应与发光材料、光电材料、能源、柔性电子和有机纳米聚合物五个方面进行介绍,以飨读者。

光致变色分子已经成为先进光子应用的重要材料,包括荧光成像、智能透镜、光学数据存储和防伪。然而,目前的光致变色材料在相同的光照条件下通常具有恒定的显色性和显色速率。此外,光致变色行为的调节往往需要复杂的化学合成和繁琐的纯化过程,这使得光致变色行为的调节既不方便又效率低下。最近,赵强教授和黄维院士报道了他们通过改变结晶紫内酯水杨醛肼(CVLSH)锌配合物的反离子,实现了光致变色分子的着色性和着色速率按需精细控制。利用锌配合物的可控光致变色特性,制备了智能光致变色薄膜,并成功实现了多级安全印刷。他们的策略为构建光响应材料铺平了道路,这种材料的光致变色行为可以按需控制。

交流电流型电致发光器件(ACEL),与直流发光器件相比,具有功耗低、发光均匀、制作方便等优点,并且其能量转换效率非常高,产生的热量也少得多,使得其有望集成到可穿戴电子设备(如电子皮肤)中。目前大多数电致发光器件和电子显示屏使用表面光滑、光学透明度高的塑料作为柔性衬底。但随着塑料的广泛使用,大量塑料垃圾的填埋和焚烧,造成地下水和空气的严重污染,极大破坏我们的生态环境。近日,黄维院士、刘举庆教授和于海东教授团队开发了基于透明鱼胶薄膜的柔性瞬态ACEL器件。制得的鱼胶薄膜具有良好的柔性,可见光透射率高达91.1%,并可在24天内在土壤中完全降解。作者通过在鱼胶膜上沉积银纳米线,成功制备了一种柔性、透明的薄膜电极。电极方块电阻低至22.4Ω/sq,并保持82.3%透光率。基于银纳米线-鱼胶薄膜电极的柔性ACEL器件在300 V电压(频率为400 Hz)工作条件下的发光强度为56.0 cd m-2,并显示出良好的柔韧性以及生物可降解性。

有机余辉材料指的是在激发光停止之后仍可继续发光的有机材料。其可以应用在各种领域,如生物成像、信息存储、传感和安全保护。但是,目前只有少数报道的余辉效率(被吸收的光子转化成余辉的效率)能超过10%,有机余辉材料要实现高的余辉效率仍然是一个巨大的挑战。最近,黄维院士和陈润锋教授成功得到了效率高达45%的有机余辉材料。他们通过热活化过程将稳定三重态(T1*)上的激子转化为最低三重态(T1),然后将T1转化为单重激发态(S1),以得到自旋允许的发光,从而显着增强有机余辉。这种余辉是室温下S1,T1和T1*的辐射衰减引起的非常规三模发光。由于其具有迄今为止报道的最高余辉效率,三模余辉代表了通过促进热活化释放稳定的三重态激子来设计高效有机余辉材料的重要概念进展。

发光可调和长寿命发光的功能材料最近成为信息加密、有机电子学和生物电子学应用的有力工具。黄维院士、安众福教授与南洋理工大学赵彦利教授提出了一种通过自由基多组分交联共聚合在聚合物中实现颜色可调超长有机室温磷光(UOP)的设计策略。通过改变激发波长从254到370nm,这些聚合物显示出从蓝色到黄色的多色发光,其长寿命为1.2s,在环境条件下的最大磷光量子产率为37.5%。此外,他们还探索了这些聚合物在基于颜色可调UOP特性的多级信息加密中的应用。这一策略为开发多色生物标签和室温长寿命发光材料铺平了道路。

室温磷光(RTP)和超长RTP(OURTP)的纯有机材料近年来备受关注。然而,将圆偏振发光(CPL)技术集成到RTP/OURTP中是一个挑战。黄维院士和陈润锋教授提出了一种通过将非手性荧光基团直接结合到酯链手性中心来实现CPL活性OURTP(CP-OURTP)的策略。这种柔性手性链的工程化使手性能有效地转移到咔唑聚集体中,从而在光活化构象调控后,产生了寿命超过0.6s、不对称因子为2.3×10-3的强CP-OURTP。因此,所实现的CP-OURTP在室温下是稳定的,但在50°C下可以快速失活至CP-RTP,在光激活/热失活循环期间具有较高的CPL稳定性。基于这种特殊的光/热响应和高可逆的CP-OURTP/RTP,成功地建立了一种具有CPL特性的寿命加密组合逻辑器件。

将光信号的产生和接收集成到一个器件中,从而允许两个相同器件之间的双向光信号传输,对于小型化和集成化光电器件的发展具有重要价值。然而,传统的溶液可加工半导体具有固有的材料和设计限制,使得它们无法用于制造高性能的此类器件。黄维院士与瑞典林雪平大学高峰教授、深圳大学张文静教授报道了一种能同时工作在发射和探测模式下的高效溶液处理钙钛矿二极管。该器件可以通过改变偏压方向在模式之间进行切换,并且它具有超过21%的外部量子效率和亚皮瓦量级的光探测极限。两种功能的工作速度都能达到几十兆赫。得益于钙钛矿的Stokes小位移,他们的二极管在其峰值发射(~804nm)处显示出高的比探测率(超过2×1012Jones),这允许两个相同的二极管之间的光信号交换。为了说明双功能二极管的潜力,他们证明它可以用来制作单片脉冲传感器和双向光通信系统。

二维Ruddlesden-Popper(2DRP)相钙钛矿与三维钙钛矿相比,具有更好的光稳定性和环境稳定性。然而,对于大体积烷基铵和2DRP钙钛矿骨架之间的相互作用,基本问题仍然存在。黄维院士、南京工业大学陈永华教授和吉林大学张立军教授证明了一种新的大体积烷基铵2-(甲硫基)乙胺盐酸盐(MTEACl)存在硫-硫相互作用。除了较弱的范德华相互作用外,两个MTEA分子中硫原子之间的相互作用使(MTEA)2(MA)4Pb5I16(n=5)钙钛矿结构具有增强的电荷输运和稳定性。结果表明,2DRP钙钛矿太阳能电池具有明显提高的效率和稳定性。电池的功率转换效率高达18.06%(17.8%经认证),耐湿性高达1512h(在70%湿度条件下),热稳定性高达375h(在85 °C下),在持续光照下稳定性好(在最大功率点运行1000h可保持初始效率的85%)。

高质量钙钛矿薄膜的制备是实现高性能钙钛矿太阳电池(PSCs)的关键。溶剂与抗溶剂之间的有效平衡是在旋涂和热退火过程中调节高质量钙钛矿薄膜的重要因素。黄维院士和南京工业大学秦天石教授开发了一种绿色、非卤化、无毒的双功能(抗)溶剂苯甲酸甲酯(MB),它不仅作为一种抗溶剂,在钙钛矿旋转包覆步骤中快速生成晶体种子,而且作为钙钛矿前体的消解熟化剂,可防止热退火过程中有机组分的损失,有效抑制杂卤化铅相的形成。因此,这种新型的双功能(反)溶剂被用于平面n-i-p-PSCs中,用于制造高质量的钙钛矿层,从而获得高达22.37%的功率转换效率,且具有可忽略的迟滞和1300h的稳定性。此外,由于MB的高沸点和低挥发特性,在不同的工作温度(22-34 °C)下可重复获得高性能PSCs。因此,开发出的双功能溶剂体系可以为PSCs在全球各个季节和地区的升级和商业化提供一个有希望的平台。

钙钛矿型太阳能电池(PSCs)的快速加工技术为提高生产效率提供了一条令人振奋的途径。黄维院士和南京工业大学秦天石教授报道了一种快速微波退火工艺(MAP),以取代传统的热板退火工艺(HAP),并将钙钛矿的加工周期缩短到小于1分钟。这得益于微波辐射的穿透性和同时性,MAP法能有效地消除钙钛矿薄膜中的杂相,从而获得大于1μm的大尺寸晶粒。这些经MAP处理的钙钛矿薄膜具有纯晶相、长的载流子寿命和低的缺陷密度,这可以在不需要额外增强器/钝化层的情况下显著提高PSC效率。倒平面PSCs的功率转换效率从18.33%(HAP)提升至21.59%(MAP)和良好的稳定性,在环境条件下使用寿命1000小时,无需封装。此外,MAP还可以应用于大尺寸(10cm×10cm)钙钛矿薄膜的制备,以及对环境温度和前驱体浓度的更大耐受性,使其成为一种可重复实际制备钙钛矿光伏材料的可靠方法。

具有潜在稳定性改善的全无机卤化铅钙钛矿是光电应用的一个很有前途的候选材料。然而,由于最常用的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)溶剂的限制,钙钛矿前驱体溶液中组分相互作用的基本问题仍然存在。黄维院士和陈永华教授报告了一个简单而有效的相互作用剪裁策略,该策略涉及离子液体溶剂醋酸甲铵(MAAc),用于所有无机CsPbI3-xBrx钙钛矿。他们发现C=O与铅(Pb2+)有很强的相互作用,并观察到N-H…I氢键的形成。这种相互作用使钙钛矿前驱体溶液稳定,并通过延缓结晶,使无针孔、大晶粒、扁平的全无机钙钛矿薄膜的高质量生产成为可能。通过一步,无需进行抗溶剂处理,无论湿度如何的空气处理方法,相应的光伏电池显示出17.10%的高效率,在连续光照下长时间运行稳定性超过1500小时。

二维材料组装构成的范德华异质结由于具有高效的电子耦合、电子空穴对分离、电荷转移、低能垒、可调控带隙等性质近来引起极大的研究兴趣。西北工业大学黄维院士和新加坡南洋理工大学陈鹏教授首次展示了新型的0维/2维范德华异质结,其具有优异的光电解水性能,且易于规模化量产。该异质结基于0维的石墨烯量子点和2维的石墨烯片。氮硫掺杂的石墨烯量子点具有较窄的带隙可促进吸光,极低的肖特基势垒有利于光生电荷的分离及转移,显著的表面电荷重排和丰富的表面活性位点都有利于极大地提高光电解水的催化性能。低成本量产石墨烯量子点,并同时实现杂原子参杂改性,对这一新型零维纳米碳材料的广泛实际应用提供了可能。同时,这一工作也为方便高效地制备单层纯石墨烯片提供了全新的方法。

在自然界中,为了最大限度地吸收光并提高光合作用效率,在古老的生命体即蓝藻中广泛存在着光的连续收集。受自然界的启发,黄维院士,中国科学院过程工程研究所、国科大王丹研究员提出了一种新的时间-空间顺序捕获单粒子光的概念,专门设计了由纳米颗粒亚基组成的多孔壳的非均匀空心多壳结构(HoMSs)。在结构上,HoMSs由不同的带隙材料组成,从而实现了不同波长光的有效捕获。此外,在每个纳米颗粒亚基中引入氧空位也可以增强光吸收。利用HoMSs中光的连续捕获,400nm波长处的量子效率比相应的纳米粒子提高了6倍。令人印象深刻的是,利用上述材料作为光催化剂,实现了高效的光催化水分解,而这是纳米颗粒无法实现的。这种时间-空间顺序收集太阳光的新概念为解决不断增长的能源需求铺平了道路。

随着柔性应变传感器在人机界面、柔性机器人、医疗监护等领域的迅速发展,柔性应变传感器得到了广泛的研究。黄维院士和朱纪欣教授首次报道了一种新的原位催化策略来制备金属气凝胶杂化物,该杂化物由氮化钒(VN)纳米片和垂直排列的碳纳米管阵列(VN/CNTs)修饰而成。在这种结构中,以二维VN纳米片为主要骨结构的柔性器件在重复变形过程中具有良好的结构相容性。此外,夹层气凝胶杂化物形成了高导电性的三维网络,对应变响应行为具有显著的敏感性。此外,成功地制备了基于VN/CNTs的柔性应变传感器,在10%的小应变范围内,应变系数高达386,响应速度快,具有优异的耐久性。而且成功实现了物理信号的监测和基于传感器的实时人机控制系统。

黄维院士、朱纪欣教授《Nano Lett.》:基于金属性“三明治”结构气凝胶的人机操控柔性电子传感器件

网格具有清晰的边缘和顶点,代表了用于框架和架构安装的多用途纳米级构建块,但在合成过程中难以进行立体选择性控制。黄维院士和解令海教授报道了一种月牙形超亲电含二氮芴底物(AmBn)的非对映选择性格子化形成手画手格的方法。在A1B1型底物的格子化过程中,meso-选择性达到75.6%的非对映体过量(de),在A2B2型单体的聚格子化中,meso-选择性保持在80% de左右。这种立体控制源于两个电荷离域超亲电体的中心对称分子堆积,具有协同的π-π堆积吸引和库仑排斥。由于meso-立体规则结构的长度为2030nm,刚性环/链交替聚格子的Mark-Houwink指数为1.651,分子量(M)依赖于水动力半径Rh~M1.13。通过对链折叠的模拟,meso-结构的聚格子仍然采用棒状构象,这有利于提高有机纳米聚合物的刚性,有别于rac型聚格子的环状骨架。

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