有机光电材料及器件实验室

一、实验室主要研究目标
1.  探索有机光电材料在OLED、OPV、OTFT等领域的应用，在国际上形成优势与特色，取得具有自主知识产权、高度创新的实用性成果。
2.  建立一支有国际竞争力的创新群体和建设世界一流的有机光电材料及器件的研发平台，培养高素质研发队伍和人才，推动有机光电子学的形成与发展，为新一代的有机光电材料和器件的发展奠定基础。
3.  通过与产业界的密切合作和优势互补，加快和推动项目研究成果的转化和应用、为产业提供技术支持，促进我国有机光电材料在OLED、OPV、OTFT等领域的超常规、跨越式发展。
二、研究内容框图




三、实验室具体研究方向
1、有机光电磁功能材料合成实验室

（1）有机无机复合电致荧光磷光材料
    电致发光（EL)器件是一种电能转为光能的装置，通过加在发光层和介电层两端电极的高频电压激发荧光物质产生发光现象。EL柔性器件及发光源具有功耗低、光线柔和、无紫外线、颜色多样、寿命长、不产热、可裁剪等优点。相比于纯无机荧光材料EL和有机发光OLED，有机无机复合材料制备的OIEL发光器件寿命超过10,000小时，可通过丝网印刷实现低成本大面积制备，并且具有耐高低温、耐高压及耐振等特点。我们的研究目标是设计合成高性能、耐高低温、耐紫外线的新型有机-无机复合电致荧光磷光材料和制备相关器件及制造工艺。


（2）有机电致变色材料
    有机电致变色是指有机导电高分子或小分子材料在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化。导电聚合物作为电致变色材料具有柔性，成本低、光学质量好、颜色转换快、循环可逆性好等优点。有机电致变色材料目前被广泛应用于汽车自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节发射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。也应用于智能窗，也可在作为防伪隐身材料应用于军事领域。

   有机电致变色材料与器件结构及其军事防伪中的应用
 
References:
1.      Meng, H., Adv. Mater. 2003, 15, 146-149.
2.      孟鸿，一种有机电致变色隐身材料及其应用 CN201310362020.9。
 
（3）有机电致发光材料
    有机电致发光二极管（OLED）可以广泛用于白光照明和平板显示。利用π共轭有机材料发光的白色OLED发光体，不同于传统照明光源，不存在高能量密度蓝/紫外发光，各成分光谱半波值宽泛，人体伤害小。制备的平板显示，亮度高、色彩逼真、响应快、可弯曲。目前存在的核心问题是器件的效率低寿命短且大面积制备良率低。
 
References:
1.         Meng etc. Book  <>  2006，2010.
2.         Meng etc. Filed 29 US Patents related with OLED materials.
 
（4）有机场效应晶体管材料
     有机场效应晶体管（OFET）由于在大面积、低成本和柔性化有机电子产品方面的潜在应用前景而备受学术界和工业界的关注，成为有机电子学中的研究前沿领域之一。目前，尽管OFET的性能已经初步满足实用化要求，但仍然存在性能低、稳定性差和与有机电子学相配套的低成本溶液法加工技术亟待开发等问题，这些问题大大限制了OFET及相关有机电路的实际应用。

References:
1.         Meng, Hong*, J. Am. Chem. Soc. 2006, 127, 2406-2407.
2.         Meng, Hong*, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2406-2407.
3.         Meng, Hong*, Adv. Mater. 2007, 19(22), 3882-3887.
4.         Meng, Hong*, Adv. Mater. 2009, 21(36), 3649-3653.
5.        Meng, Hong*, J. Mater. Chem. 2008, 18(2), 158-161.
 
（5）有机太阳能电池材料
有机太阳能电池能够通过喷墨打印、旋涂等方法实现大面积制备。目前有机太阳能电池存在的问题是效率低、器件稳定性差。可通过分子设计不断改变有机材料的光谱吸收、能级水平、电荷迁移率和稳定性，最终达到高能量转换效率的目的。

 
References:
1.      Meng, H., Macromolecules, 2001, 34, 1810-181.
2.      Meng, H., Synth. Met. 2003, 137, 1435-1436.

2、光电磁工程器件及柔性显示照明实验室
本实验室以器件制备和工艺改进为出发点，以推广光电材料的实际应用为科学目标，发展完善精确而有效的器件结构，结合实际生产，建立成熟的生产工艺。建立有机光电子学在材料、功效、寿命、彩色化、大尺寸、柔性化、封装和生产工艺等方面相关理论。

（1）   用于EL柔性发光板的量子点荧光材料
量子点发光材料具有超高的光稳定性和溶液处理的特性。通过改变量子点荧光材料的尺寸和化学组成可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光区，其发射线宽窄且发光量子效率较高，意味更高的色饱和度，可实现更广的色域。


（2）有机薄膜晶体管存储器
有机薄膜晶体管存储器具有无损坏读出、与互补集成电路体系结构兼容等优点。有机单晶晶体管也逐步应用到存储器中来最大限度地提高载流子在活性层中的迁移率，并提高存储器的性能和环境稳定性。目前这种器件的研究方向主要集中在新材料的开发和器件结构的优化上，来逐步改善并优化存储器件的性能。
                                                  
（3）仪器设备
① 碳纳米管网分层升华提纯工艺提纯获得高纯OLED材料

② 有机光电磁器件蒸镀系统



3、柔性可拉伸器件实验室
（1）柔性可拉伸光电探测器
光电探测器是数码相机等电子产品的核心部件，用来把入射光信号转化成电信号。商业化光电探测器主要采用了硅晶片硬式基底，而设计可以任意拉伸，弯曲或者折叠的柔性光电探测器则可以满足开发下一代可穿戴数码产品的迫切需求，新颖柔性光电子器件有望革新许多现有领域以及开辟更多崭新应用。我们设计了一种全新的基于一维纳米材料的柔性可拉伸光电探测器，用金属银纳米线做电极，半导体氧化锌纳米线做探测通道。纳米线薄膜由于具有多孔结构而能够被嵌入到液态有机硅（PDMS）前驱体中，前驱体固化之后形成一种独特的完全嵌入式结构而具有极好的拉伸性。由微观纳米材料组装起来的新颖宏观结构（电极，探测通道）成功解决了传统电子设备组件（比如金属电极与硅薄膜组件）在机械拉伸等形变下会断裂而失去功效的问题。（参考文献： Adv. Mater. 2014, 26, 943）




（2）柔性石墨烯/纳米纤维应变传感器
石墨烯因具有出色的电学，光学，力学性能而在基础研究与工业应用中都引起了广泛的兴趣，也被大量的研究以应用于应变传感器中（探测器件在机械形变时的电学性质变化）。但是石墨烯本身的六边形网格结构只具有极有限的可拉伸性（～5%），因而极大的限制了石墨烯在应变传感中的应用。我们通过改造石墨烯的微观结构并组装新颖宏观结构，创造性的将石墨烯的拉伸性提高到100%。由三维褶皱石墨烯和纳米纤维组成的复合材料薄膜可以被嵌入柔性体基底而实现高达100%的拉伸性。这种独特的高应变石墨烯传感器也因为制作流程简单，价格低廉，灵敏度高，可靠性好而具有广阔的产业化应用前景。（参考文献：Adv. Mater. 2014, 26, 2022）


（3）柔性可拉伸银锌电池
柔性能源比如电池等是构建未来独立柔性电子系统的必备组件。银锌电池具有与锂离子电池相似的储能性能，而且因为采用了水系电解液而具有极高的安全性，成为未来柔性电源的理想选择。我们以柔性嵌入式电极结构为基础，成功设计与开发出柔性可拉伸银锌电池。我们结合新颖的嵌入式结构与传统的工业化锌电镀方法，成功制作出柔性锌电极。我们控制锌层的形貌为分散的微观结构而保证了锌电极的拉伸稳定性。柔性银锌电池不管在正常还是高度拉伸状态下都可以正常供电。（参考文献：Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301396）



（4）柔性可拉伸电致变色器件
我们也在成功开发柔性嵌入式电极的基础上，结合电化学氧化物沉积的方法，成功制作出了柔性可拉伸电致变色显示屏。电致变色是一种通过电学信号来控制材料的光学性质的显示技术，在智能窗，电子书等显示领域有广泛的应用。我们在柔性银纳米线电极上沉积WO₃电致变色材料，尽管传统无机物薄膜不具有延展性，但是沉积的WO₃由于具有不连续的微观结构而可以被高度拉伸。 (参考文献：ACS Nano 2014, 8, 316)

4、有机单晶薄膜与器件实验室
“为了构建一个更美好的世界，你要做些什么？”这是我在教学中通常会问到学生的问题。如果你对我们的课题感兴趣，请加入我们！
有机电子学已经成为一个非常热门的研究领域，基于该领域的发展，我们的生活出现了前所未有的产品，例如柔性显示屏和可拉伸传感器等。随着分子设计、分子工程学以及制备和纯化工艺研究的不断突破，许多重要的材料被合成出来。尤其值得关注的是，基于一些有机小分子半导体的单晶器件，其场效应迁移率已经突破10 cm² / Vs。
相对于有机多晶半导体，有机单晶半导体中晶界少且分子高度有序，有机单晶器件有望获得最优性能。然而，目前尚没有关于制备有机单晶异质结和PN结的工作报道。制备有机单晶器件首先需要解决的技术难点是，生长大面积的、均匀的、厚度可控且取向可控的有机单晶薄膜。
我们的最终目标是制备全有机单晶器件并研究其有机电子学特性。我们将创造先进的气相和液相生长方法，在衬底的制定位置形成有机单晶薄膜。
（1）创建新型小分子有机半导体结构与性能的数据库
为了更全面的了解材料性能，我们需要开发简单可行的气相或液相生长方法，获得有机单晶薄膜并制备TFT器件。表1对比了分别由气相法和液相法制备的单晶和多晶材料的性能。当我们合成了一种新的有机小分子材料，我们通常采用热蒸发、旋涂或喷墨打印的方式将它制备成TFT器件。然而，这些方法仅能获得相应的多晶薄膜，很多时候我们并不能凭此估量该新材料的潜力。为了全面了解材料性能，我们有必要通过液相或气相的方法获得相应的有机单晶薄膜。

图1 不同生长方法获得的单晶和多晶材料性能对比
 

（2）生长方法
主要有如下三种方法制备有机单晶薄膜：
①  通过物理气相传输法制备尺寸细小的有机单晶碎片；
②  通过物理气相传输法在图形化衬底的指定位置上生长单晶薄膜；
③  通过液相法在图形化衬底的指定位置上生长单晶薄膜。
以下是这三种方法的介绍。
1)        图1展示了如何通过物理气相传输法获得有机单晶并利用这些单晶制备TFT的方法。虽然气相法生长较小尺寸的有机单晶体过程简单，但是如何获得适用于TFT的有机单晶薄膜还是一个挑战。因而，世界上很少有实验室制备出基于有机单晶薄膜的性能优异的TFT。此外，通过比较有机单晶和多晶的霍尔系数测量结果，还能对有机半导体材料的导电机理有更深入的理解。

  

 
2)        我们通过对斯坦福大学Alejandro L. Briseno 等人发表的“图形化有机单晶晶体管阵列”（Nature 2006, 444, 913-917）工作中的物理气相传输设备进行改进，利用图形化衬底发展了一种选择性有机单晶生长方法。实验设备及结果如图2所示。我们将结合有机金属化学气相沉积和物理气相传输设备，开发首台有机单晶异质结生长设备。

图2 物理气相传输沉积设备及该气相法生长的有机单晶薄膜
 
3)        我们通过微图形化衬底控制形核区域，采用液相法生长有机单晶阵列（Advanced Materials 2012, 24, 1117-1122）。生长机理和实验结果如图3所示。该生长方法简单可行，几乎适用于所有可溶型小分子材料。我们将重点关注单晶薄膜厚度的控制和晶体取向的控制，利用该方法有望实现层叠单晶薄膜的生长。
 
图3 液相法生长机理及有机单晶阵列形成示意图

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联系人：孟鸿 教授

Email: menghong@pkusz.edu.cn