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南京邮电大学一项目获2018年度国家自然科学奖二等奖
2019-01-08 15:00:08 来源: 新华网
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新华网北京18日电 18日上午,2018年度国家科学技术奖励大会在北京举行。南京邮电大学“金属有机半导体的结构设计、性能调控与光电应用”成果获得国家自然科学奖二等奖。该项目由黄维院士率领的研究团队完成。

项目总体研究思路。

据介绍,该项目属于电子信息科学中的半导体材料前沿学科方向,近二十年来,有机光电子作为新兴、多学科交叉前沿领域已影响到材料、信息、生命、能源等多个国民经济的关键环节。有机半导体的研究是推动有机光电子在显示、存储、传感、光伏等方向取得显著发展的关键,并成为国际研究热点。常规纯有机半导体难以利用三重激发态,金属有机半导体在金属原子旋轨耦合作用下,突破了这一局限,可同时利用单重态和三重态激发态。同时,金属中心丰富的电子组态使其具有优异的电学性质。该项目围绕金属有机半导体的高性能化与多功能化,在结构设计、性能调控、光电应用方面获得了系列创新性研究成果。

该项目带头人黄维院士是我国有机光电子学科和柔性光电子学科的主要奠基人与开拓者之一,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。他领衔的研究团队是国际上最早涉足“有机光电子”研究的团队之一。

半导体结构设计新原理及高性能有机发光器件。 

团队长期围绕金属有机半导体的高性能化,提出半导体结构设计新原理,提高了有机发光二极管效率。黄维院士举例介绍:“以OLED显示屏为例,研究之初,金属有机半导体材料的电能转化成光能的效率很低,无法使其走出实验室。项目组提出的‘位阻功能化和高分子化新策略’‘p-n金属有机半导体设计策略’及‘动态自适应设计原理’,可以使OLED显示屏电能转化成光能的效率得到显著提升,也就是说性能可以大幅度提高,充分展示其主动发光、视角范围大,亮度高等特点。基于上述原理,金属有机半导体材料结构在不断优化的同时,其制备成本也不断降低。能卷起来的大彩电的问世,就是在有机发光二极管效率大幅提高的基础上,金属有机半导体作为一种柔性材料,得以将挠曲式大面积的优势应用到实际生活中。

黄维院士说,项目组还相继开发制备了高效、可印刷加工金属有机半导体材料,制备的铕配合物发光器件性能达到同期国际水平,并实现了主体材料电学性能的智能动态调控,获得了同期低电压驱动的磷光蓝光器件最优结果之一。有机发光二极管效率的有效提升,是其商用化的基础和前提。国际上该领域的研究者围绕提高有机发光二极管的效率,从不同的角度提出了各自的解决方案。

高密度与高安全性有机信息存储器。 

同时,团队还致力于推动金属有机半导体的多功能化,发展智能响应型金属有机半导体,并实现了高密度和高安全性信息存储。项目第二完成人、南京邮电大学赵强教授介绍,现在大家使用的U盘,是无机半导体材料做的,存储量和安全性都有待提高。项目组在十多年的研究中,发现有机半导体会在外界物理刺激下产生电学或光学信号的“智能响应”行为,比如给它加个电场后,其分子材料的电学性质和光学性质会发生显著变化。这种特性可以用于高密度和高安全性的信息存储。项目组根据这种“智能响应性”,提出了可印刷加工的二阶和三阶金属聚合物信息存储半导体的设计新策略,制备了高稳定电存储器,率先研制了基于单一聚合物的三阶信息存储器,为发展可印刷加工的超高密度信息存储提供了有效途径。在研究中,还发现电场诱导金属有机半导体磷光变色现象,提出智能响应型有机信息存储的设计原理,同时利用磷光寿命长的特点,通过时间分辨光学成像,发展了具有安全保护功能的信息存储技术,开辟了有机信息存储领域的研究新方向。

长寿命金属聚合物半导体生物传感器及高信噪比检测。

进一步,团队实现了金属有机半导体的高灵敏“信息传感”功能,利用长寿命三重激发态,通过时间分辨光学技术提高生物信息传感信噪比。赵强教授解释说,比如在用光学传感器检测癌细胞时,血液中同时存在的其它荧光生物分子,会对检测信号产生严重干扰。而金属有机半导体是一种磷光材料,发光寿命远远长于荧光物质,非常有利于通过时间分辨光学技术,消除“背景干扰信号”,获得“寿命长”的有效光学信号,从而大大提高检测灵敏度。项目组在国际上较早开展了长寿命磷光材料在生物传感中的应用研究,发展了针对体内疾病相关重要标志物的磷光生物传感体系;提出以金属聚合物半导体发光寿命为分析信号,实现了分析物变化过程的准确监控,并通过时间分辨光学技术,获得高信噪比、高可信度的检测结果,成功解决了“生物背景荧光干扰导致检测信噪比低”这一领域难题。

项目代表性研究成果。

该获奖项目历时十余年,发表SCI论文115篇。8篇代表性论文发表在Nat CommunAdv MaterAngew Chem Int EdAdv Funct Mater等国际权威期刊上,3篇入选ESI高被引论文,1篇入选ESI热点论文,被诺贝尔奖得主、美国科学院/工程院院士和欧洲科学院院士等同行广泛引用。授权中国发明专利16件。受邀在Chem Soc RevProg Polym Sci等顶级期刊发表综述。出版专著《有机电子学》(科学出版社),参编英文专著2部。黄维院士任Adv MaterProg Polym ScinpjFlexible Electronics等国际知名期刊主编、编委或顾问编委。在国内外学术会议上作邀请报告100余次,承办学术会议20余次。主要成果获2016年教育部自然科学一等奖。

“金属有机半导体可以说是‘一材多用’的一种材料,随着对它研究的不断深入,未来还将会有更多的发现。”黄维院士信心满满地说。

此次获奖,是黄维院士研究团队继2013年首次获国家自然科学奖二等奖后,时隔5年再次获得这一重要奖项。

 

 

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