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南京郵電大學一項目獲2018年度國家自然科學獎二等獎
2019-01-08 15:00:08 來源: 新華網
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新華網北京18日電 18日上午,2018年度國家科學技術獎勵大會在北京舉行。南京郵電大學“金屬有機半導體的結構設計、性能調控與光電應用”成果獲得國家自然科學獎二等獎。該項目由黃維院士率領的研究團隊完成。

項目總體研究思路。

據介紹,該項目屬于電子信息科學中的半導體材料前沿學科方向,近二十年來,有機光電子作為新興、多學科交叉前沿領域已影響到材料、信息、生命、能源等多個國民經濟的關鍵環節。有機半導體的研究是推動有機光電子在顯示、存儲、傳感、光伏等方向取得顯著發展的關鍵,並成為國際研究熱點。常規純有機半導體難以利用三重激發態,金屬有機半導體在金屬原子旋軌耦合作用下,突破了這一局限,可同時利用單重態和三重態激發態。同時,金屬中心豐富的電子組態使其具有優異的電學性質。該項目圍繞金屬有機半導體的高性能化與多功能化,在結構設計、性能調控、光電應用方面獲得了係列創新性研究成果。

該項目帶頭人黃維院士是我國有機光電子學科和柔性光電子學科的主要奠基人與開拓者之一,在構建有機光電子學科的理論體係框架、實現有機半導體的高性能化與多功能化、推進科技成果轉化與戰略性新興産業方面做了大量富有開拓性、創新性和係統性的研究工作。他領銜的研究團隊是國際上最早涉足“有機光電子”研究的團隊之一。

半導體結構設計新原理及高性能有機發光器件。 

團隊長期圍繞金屬有機半導體的高性能化,提出半導體結構設計新原理,提高了有機發光二極管效率。黃維院士舉例介紹:“以OLED顯示屏為例,研究之初,金屬有機半導體材料的電能轉化成光能的效率很低,無法使其走出實驗室。項目組提出的‘位阻功能化和高分子化新策略’‘p-n金屬有機半導體設計策略’及‘動態自適應設計原理’,可以使OLED顯示屏電能轉化成光能的效率得到顯著提升,也就是説性能可以大幅度提高,充分展示其主動發光、視角范圍大,亮度高等特點。基于上述原理,金屬有機半導體材料結構在不斷優化的同時,其制備成本也不斷降低。能卷起來的大彩電的問世,就是在有機發光二極管效率大幅提高的基礎上,金屬有機半導體作為一種柔性材料,得以將撓曲式大面積的優勢應用到實際生活中。

黃維院士説,項目組還相繼開發制備了高效、可印刷加工金屬有機半導體材料,制備的銪配合物發光器件性能達到同期國際水平,並實現了主體材料電學性能的智能動態調控,獲得了同期低電壓驅動的磷光藍光器件最優結果之一。有機發光二極管效率的有效提升,是其商用化的基礎和前提。國際上該領域的研究者圍繞提高有機發光二極管的效率,從不同的角度提出了各自的解決方案。

高密度與高安全性有機信息存儲器。 

同時,團隊還致力于推動金屬有機半導體的多功能化,發展智能響應型金屬有機半導體,並實現了高密度和高安全性信息存儲。項目第二完成人、南京郵電大學趙強教授介紹,現在大家使用的U盤,是無機半導體材料做的,存儲量和安全性都有待提高。項目組在十多年的研究中,發現有機半導體會在外界物理刺激下産生電學或光學信號的“智能響應”行為,比如給它加個電場後,其分子材料的電學性質和光學性質會發生顯著變化。這種特性可以用于高密度和高安全性的信息存儲。項目組根據這種“智能響應性”,提出了可印刷加工的二階和三階金屬聚合物信息存儲半導體的設計新策略,制備了高穩定電存儲器,率先研制了基于單一聚合物的三階信息存儲器,為發展可印刷加工的超高密度信息存儲提供了有效途徑。在研究中,還發現電場誘導金屬有機半導體磷光變色現象,提出智能響應型有機信息存儲的設計原理,同時利用磷光壽命長的特點,通過時間分辨光學成像,發展了具有安全保護功能的信息存儲技術,開辟了有機信息存儲領域的研究新方向。

長壽命金屬聚合物半導體生物傳感器及高信噪比檢測。

進一步,團隊實現了金屬有機半導體的高靈敏“信息傳感”功能,利用長壽命三重激發態,通過時間分辨光學技術提高生物信息傳感信噪比。趙強教授解釋説,比如在用光學傳感器檢測癌細胞時,血液中同時存在的其它熒光生物分子,會對檢測信號産生嚴重幹擾。而金屬有機半導體是一種磷光材料,發光壽命遠遠長于熒光物質,非常有利于通過時間分辨光學技術,消除“背景幹擾信號”,獲得“壽命長”的有效光學信號,從而大大提高檢測靈敏度。項目組在國際上較早開展了長壽命磷光材料在生物傳感中的應用研究,發展了針對體內疾病相關重要標志物的磷光生物傳感體係;提出以金屬聚合物半導體發光壽命為分析信號,實現了分析物變化過程的準確監控,並通過時間分辨光學技術,獲得高信噪比、高可信度的檢測結果,成功解決了“生物背景熒光幹擾導致檢測信噪比低”這一領域難題。

項目代表性研究成果。

該獲獎項目歷時十余年,發表SCI論文115篇。8篇代表性論文發表在Nat CommunAdv MaterAngew Chem Int EdAdv Funct Mater等國際權威期刊上,3篇入選ESI高被引論文,1篇入選ESI熱點論文,被諾貝爾獎得主、美國科學院/工程院院士和歐洲科學院院士等同行廣泛引用。授權中國發明專利16件。受邀在Chem Soc RevProg Polym Sci等頂級期刊發表綜述。出版專著《有機電子學》(科學出版社),參編英文專著2部。黃維院士任Adv MaterProg Polym ScinpjFlexible Electronics等國際知名期刊主編、編委或顧問編委。在國內外學術會議上作邀請報告100余次,承辦學術會議20余次。主要成果獲2016年教育部自然科學一等獎。

“金屬有機半導體可以説是‘一材多用’的一種材料,隨著對它研究的不斷深入,未來還將會有更多的發現。”黃維院士信心滿滿地説。

此次獲獎,是黃維院士研究團隊繼2013年首次獲國家自然科學獎二等獎後,時隔5年再次獲得這一重要獎項。

 

 

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【糾錯】 責任編輯: 華信
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