黄维院士研究团队：以金属有机半导体研究创造“光电神话”

　　金属有机半导体可以说是一种“一材多用”的材料，具有非常优异的光电性能，不过目前研究的金属有机半导体大都含有铱、铂等贵金属原子，未来有可能发展基于廉价金属且同样具有优异光电性能的新一代金属有机半导体，实现它们在光电子器件中的应用。

　　在最近的热播剧《都挺好》中，男主角苏大强初次到女儿家时，便被可以升降的电视迷住了，拿着遥控器把玩了很久才放下。实际上，这台可以升降的电视并没有什么稀奇，只不过是安装了一个电动升降支架。

　　同样是可以升降的电视，今年年初亮相国际消费类电子产品展览会的LG Signature OLED TV R则颇为不同，因为它的升降依靠的完全是其自身——屏幕卷曲。

　　“它利用的是 OLED （有机发光二极管）显示屏可以卷曲的特性。”中国科学院院士、西北工业大学常务副校长黄维向《中国科学报》解释道，卷屏电视的问世，就是在有机发光二极管效率大幅提高的基础上，将作为一种柔性材料的金属有机半导体的挠曲式大面积优势应用到实际生活中的一个具体案例。

　　而凭借着对金属有机半导体的创新性、系统性研究，黄维率领团队完成的“金属有机半导体的结构设计、性能调控与光电应用”成果，获得了2018年度国家自然科学奖二等奖。

　　三种光电信息技术

　　据黄维介绍，该项目属于电子信息科学中的半导体材料前沿学科方向，研究成果主要体现在三个方面：提高了有机发光二极管效率、实现了高密度和高安全性信息存储和提高了生物信息传感信噪比。实际上，这三个方面的成果对应的就是现实生活中的三种光电信息技术，分别是信息显示技术、信息存储技术和信息传感技术。

　　“有机发光显示就是大家熟悉的OLED技术。OLED由于具有自发光、高对比度、可实现柔性显示等诸多优势，被公认为是极具竞争力和广阔应用前景的新一代显示技术。”黄维说，在研究之初，作为OLED基本器件单元的有机发光二极管电能转化成光能的效率很低，无法使其走出实验室，这成为学术界和工业界共同面临的难题。

　　经过多年研究，黄维团队提出了“位阻功能化和高分子化策略”“p-n金属有机半导体设计策略”以及“动态自适应设计原理”，设计了高性能金属有机半导体，使OLED显示屏电光转化效率得到显著提升，而且在材料结构不断优化的同时，其制备成本也不断降低，“有望突破有机发光二极管的性能瓶颈，进一步加快OLED显示技术的全面市场化”。

　　另外，研究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，实现了高密度和高安全性信息存储。

　　“传统的存储技术受到摩尔定律和材料功能单一的限制，存储密度很难再进一步提升。”团队成员、南京邮电大学教授赵强告诉《中国科学报》，研究团队经过十多年的研究发现，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，其分子材料的电学性质和光学性质就会发生显著变化，这种特性可以用于高密度和高安全性的信息存储”。

　　因此，基于这种“智能响应性”，研究团队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，为实现高密度和高安全性信息存储提供了有效途径。

　　此外，在生物医学光学检测与成像研究中，生物样品大量内源性荧光物质在激发光作用下会产生背景荧光，造成严重信号干扰，使得检测信噪比、灵敏度和准确度都大幅度下降。针对这一情况，研究团队利用金属有机半导体磷光发光“寿命长”这一特点，通过时间分辨光学技术，将其与短寿命背景干扰荧光相区分，显著提高了检测信噪比和灵敏度。

　　据赵强介绍，他们是国际上最早开展这方面研究的团队之一，近期在国际顶级期刊《化学评论》上发表了相关综述文章，总结了他们多年来的研究成果。

　　处于国际领先水平

　　据了解，黄维团队的研究成果还被诺贝尔奖得主、美国科学院/工程院院士等国际同行广泛引用、高度评价。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，很多研究成果在国际上处于领先水平。

　　比如，在信息显示方面，研究团队提出的半导体位阻功能化和高分子化策略，将固态发光效率提高了几十倍，获得同期、同类型寿命最长的器件；在国际上首次提出有机光电材料的动态自适应设计原理，打破了常规有机半导体静态结构设计理念，为有机半导体的智能化调控提供了全新思路和技术途径。在信息存储方面，研究团队率先制备了基于单一聚合物的三阶信息存储器，显著提高了器件的存储密度，在此基础上还发展了一种全新的信息保护技术。在信息传感方面，研究团队在国际上较早地将长寿命磷光材料用于生物医学领域，有效解决了通常存在的“生物背景荧光干扰导致检测信噪比低”这一难题，拓展了长寿命磷光材料在生物医学领域的应用。

　　“我们已经与国内的多家大型显示技术公司，如京东方等展开合作，将高性能发光材料推向产业应用。”黄维对该研究成果的应用前景信心十足，“在信息传感方面，我们开发了可用于检测多种重大疾病标志物的高灵敏传感器，这些成果有望实现重大疾病的早期诊断，目前正在与一些医院开展合作；同时，还可以利用有机半导体自身优势，制备柔性存储器件，实现低功耗、自驱动柔性可穿戴信息存储新模式”。

　　黄维指出，金属有机半导体可以说是一种“一材多用”的材料，具有非常优异的光电性能，不过目前研究的金属有机半导体大都含有铱、铂等贵金属原子，未来有可能发展基于廉价金属且同样具有优异光电性能的新一代金属有机半导体，实现它们在光电子器件中的应用。“此外，相信一些新型的三重态磷光材料也将相继被开发出来，不断丰富这类半导体材料的种类和应用范畴。”

　　偶然之中有必然

　　实际上，黄维1979年进入北京大学化学系读书时，专业是物理化学和计算化学，之后转向纳米材料和光电高分子材料，最后才于上世纪90年代初把研究方向锁定在国际前沿学术领域——有机电子学和柔性电子学。

　　对于如今这些研究成果的取得，他将原因归结为自主创新：“只有坚持自主创新，才能使‘中国制造’迈向‘中国创造’。”

　　但自主创新不可能一蹴而就，也不可能仅靠一时的奇思妙想，放在黄维身上来看，就是日复一日、年复一年的科学研究——早在北大求学时，他就是实验室走得最晚的人，时至今日，仍然可以保持一周七天的工作常态，由此也产生了近三十年来一个个令他记忆犹新的科研故事。

　　比如，2010年的一个傍晚，黄维指导的博士研究生安众福正在昏暗的环境里做实验，偶然间在有机半导体中发现了长余辉发光现象。起初，由于选择激发光源和有机半导体的余辉时间比较短等原因，他的这个偶然发现还被其他同学拿来开玩笑：“饿得眼花，肯定是幻觉。”但后来在团队成员、南京邮电大学教授陈润锋与新加坡国立大学教授刘小钢的共同指导以及南京邮电大学博士史慧芳的协作下，经过五年的不懈努力，终于将这个“幻觉”变成了《自然—材料》杂志上的一篇研究成果论文。而后，黄维团队又经过三年的努力，一次次“偶遇”新奇的长余辉现象，并取得一系列研究成果，将论文发表在《美国化学会志》《德国应用化学》等国际著名期刊上。

　　“一次次偶遇是无数次辛苦付出的必然邂逅。”黄维说，在有机长余辉领域取得的系列成果，也是研究团队在科学技术前沿领域中聚焦科研、深入探索的创新体现，在国际上处于引领地位。