《高性能有机半导体的高效制备与光电器件》

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该项目属于材料科学中的有机高分子材料方向,围绕有机半导体的稳定化、功能化和高性能化为研究主线开展工作,针对有机光电子领域存在的一些关键科学问题,以开发高性能有机半导体材料与光电器件为目的,提出了分子拓扑结构多支化、多维化的材料设计理念,发展了快速高效可控的微波辅助合成新方法,开发了一系列新型拓扑结构有机半导体材料,系统阐述了材料构效关系,并实现了高效有机电致发光器件和低阈值有机激光器件。1、微波辅助快速高效制备复杂共轭结构多维有机半导体:针对有机半导体合成过程中步骤多、耗时长、工作量大、纯化分离困难等技术难题,创新性地将微波加热技术引入到复杂结构有机半导体材料的开发过程中。重点发展了微波增强多重耦联反应,使得通常需要4-5天而且产率低(30-40%)副产物难分离的多重Suzuki偶联反应在30min内顺利完成,并且得到了理想的产率和高的化学纯度;同时,我们结合微波加热的优势发展了全微波合成法,将微波加热技术应用到每一步合成过程中,大大加速和简化中间体和产物的制备过程,快速高效地实现了复杂结构有机半导体材料的可控制备,显著缩短了开发周期。证明微波加热技术在辅助制备有机半导体材料方面具有广阔的适用性和显著的功效。2、多维拓扑结构有机半导体材料及其高效有机电致发光器件:针对传统低维线型有机半导体材料的不足,提出了分子拓扑结构多支化、多维化的材料设计理念,开发了一系列具有特殊多维度拓扑新结构的有机半导体,包括星射型多臂结构的单分散大分子、多支化p-n双嵌段寡聚物以及可光交联超支化聚合物半导体。通过简便的溶液制膜方式制备的单层器件得到了高稳定性、高效率和高色纯度(CIE:x=0.15,y=0.09)的有机电致发光。整体器件性能显著优越于线形寡聚物或长链聚合物材料,为高性能有机半导体材料与器件开发提供了新思路。系统研究了化学结构、空间维度与凝聚态结构及光电性能之间的构效关系,为高性能有机半导体的设计开发提供了实验支持和理论指导。3、基于多维拓扑结构有机半导体材料的超低阈值有机激光器件:针对“有机电泵浦激光能否实现”这一世界难题,从材料设计与器件优化的角度入手,发展了高性能低阈值有机激光半导体材料与器件。在前期研究工作的基础上,筛选出一类单分散纳米尺度(3.0-9.0nm)多臂结构大分子半导体,表现出优异的激光特性,即使相当简单的器件结构(1DDFB)也实现了超低激光泵浦阈值(Ethlaser≈0.4nJ/pulse,1.3J/cm2)和高的激光输出效率(斜度效率约为5.3%)。这是目前国际上有机半导体所能获得的最低的激光阈值之一。低的泵浦阈值意味着低的能量输入,为开拓有机半导体在电泵激光器的应用铺垫了基础。该项目在有机半导体制备方法及其拓扑结构设计、构效关系研究、凝聚态结构与光电性质调控以及高性能光电器件开发等关键问题上提出了比较重要的学术观点,开展了较为系统的研究工作,在理论与方法创新方面取得了重要进展。研究结果有20篇代表性SCI论文发表在包括AdvMater、AdvFunctMater、Macromolecules等在内的国际著名权威学术期刊上。这些结果得到了国内外同行的认可,被国内外同行在包括Nature旗下的AsiaMaterials,ChemRev(IF=33.036),ChemSocRev(IF=26.585),AngewChemIntEd(IF=12.730),JCAS(IF=9.023),AdvMater(IF=10.880)等国际权威学术期刊的论文中重点评述和引用;该项目共被SCI他引276次,单篇最高SCI他引50次。研究结果得到Nature旗下AsiaMaterials等的专题报道,获授权发明专利7项。

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