金屬有機(jī)半導(dǎo)體可以說是一種“一材多用”的材料，具有非常優(yōu)異的光電性能，不過目前研究的金屬有機(jī)半導(dǎo)體大都含有銥、鉑等貴金屬原子，未來有可能發(fā)展基于廉價(jià)金屬且同樣具有優(yōu)異光電性能的新一代金屬有機(jī)半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)它們在光電子器件中的應(yīng)用。
在最近的熱播劇《都挺好》中，男主角蘇大強(qiáng)初次到女兒家時(shí)，便被可以升降的電視迷住了，拿著遙控器把玩了很久才放下。實(shí)際上，這臺可以升降的電視并沒有什么稀奇，只不過是安裝了一個(gè)電動升降支架。
同樣是可以升降的電視，今年年初亮相國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會的LG Signature OLED TV R則頗為不同，因?yàn)樗纳狄揽康耐耆瞧渥陨?mdash;—屏幕卷曲。
“它利用的是 OLED （有機(jī)發(fā)光二極管）顯示屏可以卷曲的特性。”中國科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)常務(wù)副校長黃維向筆者解釋道，卷屏電視的問世，就是在有機(jī)發(fā)光二極管效率大幅提高的基礎(chǔ)上，將作為一種柔性材料的金屬有機(jī)半導(dǎo)體的撓曲式大面積優(yōu)勢應(yīng)用到實(shí)際生活中的一個(gè)具體案例。
而憑借著對金屬有機(jī)半導(dǎo)體的創(chuàng)新性、系統(tǒng)性研究，黃維率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成的“金屬有機(jī)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控與光電應(yīng)用”成果，獲得了2018年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
三種光電信息技術(shù)
據(jù)黃維介紹，該項(xiàng)目屬于電子信息科學(xué)中的半導(dǎo)體材料前沿學(xué)科方向，研究成果主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：提高了有機(jī)發(fā)光二極管效率、實(shí)現(xiàn)了高密度和高安全性信息存儲和提高了生物信息傳感信噪比。實(shí)際上，這三個(gè)方面的成果對應(yīng)的就是現(xiàn)實(shí)生活中的三種光電信息技術(shù)，分別是信息顯示技術(shù)、信息存儲技術(shù)和信息傳感技術(shù)。
“有機(jī)發(fā)光顯示就是大家熟悉的OLED技術(shù)。OLED由于具有自發(fā)光、高對比度、可實(shí)現(xiàn)柔性顯示等諸多優(yōu)勢，被公認(rèn)為是極具競爭力和廣闊應(yīng)用前景的新一代顯示技術(shù)。”黃維說，在研究之初，作為OLED基本器件單元的有機(jī)發(fā)光二極管電能轉(zhuǎn)化成光能的效率很低，無法使其走出實(shí)驗(yàn)室，這成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同面臨的難題。
經(jīng)過多年研究，黃維團(tuán)隊(duì)提出了“位阻功能化和高分子化策略”“p-n金屬有機(jī)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)策略”以及“動態(tài)自適應(yīng)設(shè)計(jì)原理”，設(shè)計(jì)了高性能金屬有機(jī)半導(dǎo)體，使OLED顯示屏電光轉(zhuǎn)化效率得到顯著提升，而且在材料結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化的同時(shí)，其制備成本也不斷降低，“有望突破有機(jī)發(fā)光二極管的性能瓶頸，進(jìn)一步加快OLED顯示技術(shù)的全面市場化”。
另外，研究團(tuán)隊(duì)還致力于推動金屬有機(jī)半導(dǎo)體的多功能化，發(fā)展智能響應(yīng)型金屬有機(jī)半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了高密度和高安全性信息存儲。
“傳統(tǒng)的存儲技術(shù)受到摩爾定律和材料功能單一的限制，存儲密度很難再進(jìn)一步提升。”團(tuán)隊(duì)成員、南京郵電大學(xué)教授趙強(qiáng)告訴筆者，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10多年的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)半導(dǎo)體會在外界物理刺激下產(chǎn)生電學(xué)或光學(xué)信號的“智能響應(yīng)”行為，“比如，給它加個(gè)電場，其分子材料的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)就會發(fā)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”。
因此，基于這種“智能響應(yīng)性”，研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體的設(shè)計(jì)新策略，制備了高穩(wěn)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，為實(shí)現(xiàn)高密度和高安全性信息存儲提供了有效途徑。
此外，在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)檢測與成像研究中，生物樣品大量內(nèi)源性熒光物質(zhì)在激發(fā)光作用下會產(chǎn)生背景熒光，造成嚴(yán)重信號干擾，使得檢測信噪比、靈敏度和準(zhǔn)確度都大幅度下降。針對這一情況，研究團(tuán)隊(duì)利用金屬有機(jī)半導(dǎo)體磷光發(fā)光“壽命長”這一特點(diǎn)，通過時(shí)間分辨光學(xué)技術(shù)，將其與短壽命背景干擾熒光相區(qū)分，顯著提高了檢測信噪比和靈敏度。
據(jù)趙強(qiáng)介紹，他們是國際上最早開展這方面研究的團(tuán)隊(duì)之一，近期在國際頂級期刊《化學(xué)評論》上發(fā)表了相關(guān)綜述文章，總結(jié)了他們多年來的研究成果。
據(jù)了解，黃維團(tuán)隊(duì)的研究成果還被諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國科學(xué)院/工程院院士等國際同行廣泛引用、高度評價(jià)。他領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)是國際上最早涉足“有機(jī)光電子”研究的團(tuán)隊(duì)之一，很多研究成果在國際上處于領(lǐng)先水平。
“我們已經(jīng)與國內(nèi)的多家大型顯示技術(shù)公司，如京東方等展開合作，將高性能發(fā)光材料推向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。”黃維對該研究成果的應(yīng)用前景信心十足，“在信息傳感方面，我們開發(fā)了可用于檢測多種重大疾病標(biāo)志物的高靈敏傳感器，這些成果有望實(shí)現(xiàn)重大疾病的早期診斷，目前正在與一些醫(yī)院開展合作；同時(shí)，還可以利用有機(jī)半導(dǎo)體自身優(yōu)勢，制備柔性存儲器件，實(shí)現(xiàn)低功耗、自驅(qū)動柔性可穿戴信息存儲新模式。”
“此外，相信一些新型的三重態(tài)磷光材料也將相繼被開發(fā)出來，不斷豐富這類半導(dǎo)體材料的種類和應(yīng)用范疇。”（王之康）
