北京市科技新星系列专访——滕枫:有机光电子——神奇美好的未来

发布日期: 2017- 11- 21 信息来源: 新华网 字号:[ ]

新华网北京11月21日电(陈梦瑶)说起有机光电子器件,要追溯到20世纪70年代,当时的日本科学家首次发现对共轭聚合物聚乙炔进行参杂,可实现导电特性,自此,业界掀起了导电聚合物的研究热潮。1987年,日本柯达公司实现了小分子材料的薄膜发光器件,1990年,剑桥大学实现了聚合物薄膜电致发光器件,使得有机/聚合物材料在显示及照明领域表现出巨大的应用潜力。有机/聚合物材料从传统的结构材料,发展到了半导体领域。在发光器件以后,科学家们又先后发展出太阳能电池器件、薄膜场效应晶体管器件、阻变存储器件等。

随着信息时代的到来,光电子器件的应用领域越发广泛。从信号的产生、信息的传输到信息的显示,无一能离开光电子器件。伴随着科学家们对有机半导体材料的构效关系理解的逐渐深入,各种性能的有机半导体材料先后被合成出来,从选材和性能上,补充了无机半导体的不足。因对有机半导体和光电子器件的好奇,北京交通大学教授滕枫自读研究生时,就选择了这个领域,并从此开启了有机半导体探索的科研之旅。

2000年的诺贝尔化学奖便授予了在导电聚合物领域有着突出贡献的两位美国科学家和一位日本科学家。“通过结构设计和参杂等手段,有机材料可以实现导体、半导体到绝缘体的不同功能。”滕枫认为,有机聚合物半导体材料的发展,不但为光电子器件提供了多元化的选择,而且在柔性可穿戴器件等方面,有无机半导体器件不具有的独特优势。有机半导体的开发和应用,将会给人类带来更加美好的生活。“传统的光电子器件通常需要昂贵的半导体工艺生产线。而经过溶液化处理的有机聚合物半导体材料可通过印刷方法低成本制备光电子器件,极大地降低了产业化成本。将来可能在太阳能电池、薄膜晶体管、光电探测器、阻变存储器件等方面广泛的应用。”滕枫说。

“与无机半导体材料相比,基于有机半导体材料的光电子器件在性能上尚存一定差距。目前,最成功的是光导材料在激光打印鼓和复印鼓方面的应用,已经完全替代无机光导材料,不但显著降低了成本,而且避免了过去硒化镉光导器件对环境的污染。在其他领域的应用也正在兴起,如有机发光二极管(OLED)。滕枫表示,与目前最为广泛应用的液晶显示器件相比,OLED技术的显色指数更高,色彩也更加趋于自然色。已经在手机显示屏、相机显示屏等小尺寸器件方面得到广泛的应用。此外,有机聚合物发光器件在照明领域也有独特的优势,不但功耗与低功耗的LED接近,一样属于节能产品,而且有机器件是真正的面光源,发出的光更柔和,色温可调,对人眼来说更健康、更舒适。柔性有机照明器件还可制备成各种形状,把照明、艺术与健康结合到一起。

在滕枫看来,有机光电子器件将在很多领域取得突破性进展,但核心还是掌握有机半导体以及光电子器件的基本物理过程和原理。“我的研究主要涉及有机光电子器件和材料的激发态过程、载流子输运过程,以及微观聚集态结构对器件性能的影响等。”通过对有机半导体材料电输运的研究,滕枫团队掌握了调控有机光电子器件载流子输运的方法。通过对激发态动力学过程的研究,明确了有机半导体激发态弛豫的影响因素。此外,在无镉量子点发光材料及发光器件方面也取得了一些有价值的成果。

尽管有机光电子器件不需要无机半导体工艺线那样昂贵的生产设备,但其工艺条件要求十分严苛,需要的投入也非常大。“以韩国三星公司为例,他们在(OLED)方面的投入超过10亿美元。”滕枫指出,当前有机光电子产业化主要面临的难题是资金投入和工艺人才两个方面。由于对发表学术论文的片面追求,目前培养的研究生更多注重的是解决科学问题和发表高水平论文,而实际的生产中则要求具备较高的工艺水平。在解决科学问题时,器件制备的成功率即使比较低,也不会影响获得科学的结论。而在生产过程中,如果工艺水平控制不好,产品的良品率低,则是致命问题。

随着我国在基础研究方面投入的增加以及相关科研手段和能力的提高,使我们与国际上的差距日渐缩小。但在滕枫看来,尽管课题组的主要研究成果解决了涉及该领域小范围的科学问题,然而缺乏原始性的创新与颠覆性的成果却是不争的事实。在基础研究领域,国内科学家也有国际领先水平的研究成果,比如清华大学薛其坤院士在“量子反常霍尔效应”方面的工作是‘诺奖’级的成果。但整体来看,还存在一定差距。尤其在有机光电子器件领域,仍然需要通过与化学、材料等领域的科学家开展合作,才能使该领域得以更快发展和超越。

谈及未来研发创新的前沿方向,滕枫表示,未来,通过全打印方式来制备器件将成为可能。由于有机/聚合物光电子器件具有许多无机器件所不具备的特性,不仅从功能上会是无机器件的一个重要补充,而且还可能给我们未来的生活带来神奇而美好的变化。比如有机半导体材料可以制备出大面积、光照柔和、轻便可弯曲的照明器件,并且形状可以任意剪裁,色彩也可以随意选择。这不仅可以满足了普通的照明需求,还能制备成各种艺术灯具,从而美化我们的生活。目前,课题组主要着眼于光伏器件、发光器件以及发光薄膜场效应晶体管的研究。有机光伏器件可制备成柔软可弯曲,重量非常轻的装置,尤其适合野外便携式设备,是绿色可再生能源领域的一个重要研究方向。发光晶体管则是把显示面板的驱动元件薄膜场效应晶体管(TFT)与发光单元集成到一个器件中,这样不仅可以最大限度简化显示面板的结构,而且还将显著降低生产成本。此外,课题组在有机器件的印刷制备方面也进行了大量有益探索。

入选北京市科技新星计划,对于当时科研处于起步阶段的滕枫而言,无疑是雪中送炭,其意义远超出经费的资助。“一方面,新星计划组织的各项科学交流活动,为我们提供了开展合作与交流的平台。这个平台上,同中科院、各大高校的学者建立了广泛的联系。另一方面,入选科技新星后,获得了学校的认可和更多的配套扶植,为自己提供了良好的科研环境。更为重要的是,北京市科委帮助研究领域交叉的几位新星入选者联系了中科院半导体所王占国院士作为我们的学术导师。王院士的尽心传授与尽责指点,不仅提高了我们的学术水平,还开拓了我们的学术视野,使我在学术成长的道路上,少走了很多弯路。”

在科研道路上,滕枫收获良多。他说:“一方面,取得的研究成果,对有机半导体及器件的物理本质的理解,带来了成就感。另一方面,培养了一批年轻学生,伴随着科研工作的深入开展,课题组里的研究生也在茁壮成长,在科研中学会的逻辑思考方法、独立工作能力以及条理清晰的表达能力,会让他们可以更容易的面对人生挑战。”

正如滕枫寄予广大学子的厚望——热爱、执着、脚踏实地,这简单的三个词,不仅囊括了他往昔与未来的科研生涯,也是青春无悔的最好注解。

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滕枫,北京交通大学理学院教授、博士生导师、北京市科技新星、教育部新世纪人才、国家杰出青年基金获得者、中国物理学会发光分会委员。

长期从事有机光电子器件、有机半导体激发态过程以及半导体纳米发光材料的研究。研究方向包括有机发光器件、有机光伏器件、有机无机杂化钙钛矿光伏器件、量子点LED器件等。已发表SCI收录论文200余篇,出版编著《有机电致发光材料及应用》一部,已授权发明专利20余项。主持国家自然科学基金重点项目1项、国家杰出青年基金项目1项、国家自然科学基金面上项目5项。此外还主持和参加了包括科技部‘973’计划课题、科技部重点研发项目课题、教育部重点项目等10余项课题。

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