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【2018-2019化学学科发展报告】有机固体研究进展

来源:kok竞技体育发表日期:2022-09-29 09:59:41作者:kok竞技平台

  说明:限于篇幅,本推文仅摘录了专题报告部分内容,更详细内容请阅读《2018-2019化学学科发展报告》,电子版已在中国化学会官方网站“云图书馆”栏目中发布,学会会员登录后可免费阅读全文。

  19世纪70年代有机导体被首次发现后,有机固体研究得到了快速发展,特别是2000年Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid与Hideki Shirakawa因导电聚合物的发现获得诺贝尔化学奖以来,有机固体研究进入了新阶段。有机固体是一个前沿交叉学科,它涉及化学、物理、材料、生物、光学、高分子及光电子等领域,近几十年的飞速发展,展现了它的学科生命力。在信息、能源和健康三大主题领域不断孕育重大市场机遇。在信息领域,分子材料的发展催生了规模巨大有机电致发光市场并推动有机场效应晶体管的快速发展;在能源领域,分子体系太阳能电池和热电转换器件的性能指标持续突破;在生命领域,各类分子材料被广泛用作荧光探针、光敏剂等,向恶性重大疾病的高效早期诊断及治疗方向快速迈进。我国在该领域的研究中已取得了系列重要成果,研究水平长期与国际最先进水平同步,在该领域培养了一支稳定的研究队伍,涵盖了化学、材料和信息等领域。

  上世纪70年代,导电高分子的发现改变了人们长期以来对于高分子只能作为绝缘材料的传统认知,从而开辟了新的研究领域—有机电子学(organic electronics)。有机、高分子半导体材料是有机电子学的核心。这类材料具有其他已知任何一种材料所不具备的多种性能可集成性,例如:结构易调节、性能易调控、质轻价廉、柔性可弯曲、可溶液加工等。经过几十年的研究,有机、高分子半导体材料已经取得了长足进步,其种类不断丰富,相关器件性能也得到了显著提高。与此同时,关于有机、高分子半导体材料的聚集态研究,以及理解和认识发生在其中的电荷传输、激子形成及分离等基本物理过程对于有机电子学的发展具有非常重要的意义,有利于指导高性能材料的理性设计和器件的合理构筑。近两年来,我国学者在晶体、纳米/分子尺度组装体、有序薄膜等聚集态研究方面开展了系统、全面的研究,实现了揭示有机、高分子半导体材料本征性能研究的目的,同时发展了新的功能。

  有机电致发光器件(OLED)在彩色显示和固体照明领域拥有广阔应用前景和发展机遇。近年来,在国家大力投入和国内研究者的不懈努力下,我国在有机电致发光领域取得了快速发展,围绕面向蒸镀工艺的有机小分子发光材料和面向溶液加工工艺的高分子发光材料,相继发展了一系列新发光机制、新材料体系和新器件结构。有机小分子发光材料方面的代表性研究进展主要集中在新发光机制探索、新材料体系开发和新器件结构应用三个方面。高分子电致发光材料方面的重要进展主要包括面向彩色显示器件的蓝绿红三基色高分子发光材料,面向固体照明光源的白光高分子材料,及其器件组装方面的研究。

  太阳能是绿色能源的重要组成部分,由此产生的光伏技术受到世界各国的广泛关注和高度重视。与传统的无机太阳能电池相比,本体异质结型有机太阳能电池可通过低廉的墨水印刷工艺制备大面积柔性器件,受到世界范围内学术界和工业界的持续关注。过去两年来,基于非富勒烯受体的太阳能电池蓬勃发展,中国学者在该领域处于引领性地位。以明星分子ITIC为代表的稠环电子受体材料应用于太阳能电池,获得的器件效率超过15%,新稠环电子受体材料Y6的出现进一步的把单结太阳能电池效率提升到16%以上。基于非富勒烯受体的半透明电池器件效率不断提升,同时也实现了颜色可调以及多功能应用。三元太阳能电池在形貌和光电过程的控制和理解方面取得重要进展,厚膜高性能三元器件已经实现。目前叠层电池通过材料的优化选取,效率已经突破17%,是文献报道有机太阳能电池最高效率,此外NREL效率表中关于有机光伏效率的最新记录均由国内学者保持。降低光伏材料成本逐渐引起人们关注,高效率、低成本光伏材料已有报道。大面积、高效率器件也取得了较大进展,1cm2下器件效率超过13%。

  伴随着柔性电子器件在健康监测与物联网等战略新兴领域的重大应用前景,热电发电与制冷器件成为能源领域的重要方向。有机热电材料可实现热能与电能的直接转换,且具有柔性好、本征热导低和室温区性能优异等特点,是满足领域发展需求的关键材料体系之一。近年来,有机热电逐步成为有机电子学的前沿热点方向并取得快速发展。作为处于起步阶段的新兴方向,有机热电面临以下挑战:1)高性能材料理性设计的基本策略;2)分子的精确可控与稳定掺杂;3)热电转换的基本过程和关键参数间的制约关系;4)新型功能器件制备和大面积集成。近三年来,国内外学者在高性能材料创制、分子可控掺杂和器件功能化方面取得了系列进展,推动了领域的快速发展。

  有机高分子材料是单个分子通过分子间弱的相互作用而形成的功能材料。独特的分子结构特征和聚集方式赋予分子材料丰富的电学、光学和光电转换等物理化学性质,基于这类材料的场效应晶体管具有质轻、成本低、可溶液法加工、功能易调性等独特优势,是构建柔性电子器件的理想载体之一,从而推动柔性电子学特别是可卷曲、可穿戴电子器件的发展,该领域得到了学术界和工业界的广泛关注。在高分子材料研发方面,新型结构的光电高分子材料是核心研究内容。在高分子材料加工技术方面,不同的沉积方法影响高分子材料的聚集态结构和排列。在应用开发发面,高分子晶体管具有信号转换和放大功能,在智能传感器、柔性显示、电子皮肤以及可穿戴器件等领域有广阔的应用前景。

  碳科学的快速发展以及它对诸多学科和高技术领域的影响,已经广泛影响到高技术科技的各个领域,从而确立了它在21世纪的战略地位。二维碳石墨炔是以sp和sp2两种杂化态形成的新的碳同素异形体,它是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构,具有丰富的碳化学键,大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能,被预测为非天然碳的同素异形体中最稳定的。石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在光、电、信息技术、电子、能源、催化以及光电转换等领域具有潜在、重大的应用前景。2010年,中国科学院化学研究所李玉良院士研究团队在国际上首次化学合成了碳新同素异形体—石墨炔薄膜,使碳材料家族又诞生了一个新成员,开辟了人工化学合成新碳素异形体的先例。石墨炔已得到许多发达国家政府和企业界的高度重视,美国、日本、欧盟等国家都已启动专门的研究计划。目前全球从事石墨炔材料研究的高校和科研院所已经超过50家,石墨炔作为完全具有我国自主知识产权的碳材料,已经形成了一个新的研究领域。经过多年的深入系统研究,我国在石墨炔领域已经形成了自己的特色和优势,并在国际上处于引领的地位。

  共轭高分子具有独特电子结构,每个组成单元之间通过电子离域与电子耦合相互作用,基于此特殊性质,美国麻省理工大学Swager教授首次提出了分子线效应的概念。也就是说,当具有强光捕获能力的共轭高分子受激发后,产生的激子可以沿着长程的π电子骨架快速传递至能量受体,从而将环境中的微小波动转换为共轭高分子荧光信号的变化,进而实现对被检测物的高灵敏检测。此后,光电共轭高分子逐渐在化学、医学、生命科学等交叉领域中倍受研究者们的关注。近年来,研究者们设计并合成一系列新型水溶性光电共轭高分子,利用其独特的光化学和光物理性质及其与生物活性分子间的相互作用,成功地将其引入到生物传感、生物成像、疾病治疗以及生物电子体系的研究中,使得该研究领域进入了一个全新的阶段。

  有机分子、高分子材料的本征性能研究是有机电子学领域中的一个长期而富有挑战的研究课题,其研究主要受限于共轭分子之间相互作用弱,其常规薄膜中分子高度无序等特性。而理解和认识共轭分子材料的聚集态性质是解决这一问题的关键。目前这一领域的研究仍处于初步探索阶段,还有许多需要深入研究的基础问题。比如:发展并完善大面积制备有序聚集体的方法,包括有机小分子和高分子,并用其制备电子电路,实现产业化;在制备有序聚集体的基础上,同时引入新的功能,不仅可简化器件的制备工艺,而且可为有机电子学带来更多的应用可能。

  我国有机热电研究起步早,发展快,在高性能n型材料和热电器件方面一直处于国际引领地位,已成为我国在有机电子学领域的优势方向。在未来5-10年,有机热电即将进入快速发展的关键时期,应重点关注:导电聚合物分子与聚集态结构的跨尺度精细调控;高迁移有机半导体的可控掺杂;热电功能导向的组装方法学;共轭分子体系热电能量转换的基本过程;有机热电薄膜基本参数的准确测量与标准化;有机热电器件的大面积制备与功能应用。

  有机高分子场效应晶体管由于其可低成本溶液法加工、良好的柔韧性等优势在包括传感器、射频电子标签(RFID)、智能存储、医疗电子、柔性显示背板、可穿戴设备等领域发展迅速,然而,现阶段有机高分子场效应晶体管还是以科学研究为主,离实际应用还有一段距离,进一步的发展和最终走向应用有待科研人员的共同努力和不懈探索。其关键挑战在于,如何降低有机半导体材料的合成成本,提高材料的重复性,在采用低成本溶液法工艺的前提下,降低器件的工作电压并提高其空气稳定性,并能大面积进行加工。

  我国学者在有机太阳能电池领域取得了众多重要进展,对推动该领域的发展起着引领性作用。未来五年,我国需要进一步加强材料和器件创新,实现效率不断提升,继续领跑。有机光伏效率预计可达20%以上,与其他光伏技术的效率差距将会显著缩小。有机材料的光电性质可调性强、成本低、柔性和大面积印刷的优势使有机光伏技术更具竞争力。为了真正实现产业化,除了进一步提升效率,还需进一步降低材料的成本,开发高质量器件的大面积加工工艺,使用环境友好的加工溶剂,大幅提升材料和器件的长期稳定性。只有多学科交叉和产学研联合攻关,方能继续领跑。期望通过5年的不懈努力,切实推动有机光伏技术从实验室走向商业化,为国计民生做出重要贡献。

  有机高分子生物传感、成像、疾病治疗以及生物电子研究领域已经取得了很多令人瞩目的成果,但利用共轭聚合物材料用于临床重大疾病的诊断、相关的生命化学过程以及细胞与活体水平的生物大分子识别、重大疾病的高效治疗等研究将是未来的挑战。该领域的未来发展趋势是发展新型、高性能共轭聚合物材料体系,构建智能、可穿戴高效生物诊疗器件,实现其在高效生物检测、成像以及疾病诊疗等领域的实际应用。

  综上所述,功能分子材料与器件的基础前沿研究主要集中于高迁移率有机半导体、高性能有机高分子发光材料、有机光伏材料、有机热电材料、新型有机二维(如石墨炔)和单分子材料等。虽然不同功能材料的设计策略、调控机制与器件应用方向不尽相同,但是pi-分子材料与器件仍存在诸多亟需突破的共性挑战,包括:1)分子体系在原子尺度的精细化设计构成材料精准合成;2)分子材料在电荷输运、光电转换、界面功能调控的机制仍不清楚;3)基于分子体系的热电转换、生物电子和极限尺度下的电输运研究代表了领域发展的重要方向,但在诸多方面缺乏基本认知;4)柔性分子电子器件的低成本制备技术研究亟待加强,可应用于大面积制备的印制与封装等技术无法适应产业化的需求。这些方面已经成为有机固体领域的研究重点。

  《2018-2019化学学科发展报告》的专题报告“有机固体研究进展”部分由中国化学会有机固体专业委员会组织编撰,由委员会主任张德清研究员领衔完成撰写。撰稿人包括:

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