黃維院士團隊近期研究成果集錦

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黃維,有機電子學與柔性電子學專傢。

中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太材料科學院院士、東盟工程與技術科學院外籍院士、巴基斯坦科學院外籍院士,教育部“長江學者”特聘教授、國傢傑出青年科學基金獲得者、國傢“973”項目首席科學傢。黃維院士是國際上最早從事聚合物發光二極管顯示研究並長期活躍在有機光電子學、柔性電子學領域的知名學者之一。

從九十年代初開始致力於跨物理、化學、材料、電子、信息和生命等多個學科、交叉融合發展起來的有機光電子學、柔性電子學等國際前沿學科研究。在構建有機光電子學科的理論體系框架、實現有機半導體的高性能化與多功能化、推進科技成果轉化與戰略性新興產業方面做瞭大量富有開拓性、創新性和系統性的研究工作,是中國有機光電子、柔性電子學科的奠基人與開拓者。

他以第一或通訊作者身份在《自然•納米技術》(Nature Nanotechnology)、《自然•光子學》(Nature Photonics)、《自然•材料》(Nature Materials)、《自然•通訊》(Nature Communications)等SCI主流學術期刊發表研究論文560餘篇,國際同行引用逾30000餘次。獲美國、新加坡和中國發明專利授權200餘項,出版瞭《有機電子學》、《生物光電子學》等學術專著。曾獲國傢自然科學獎二等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、教育部自然科學優秀成果獎一等獎、江蘇省科學技術獎一等獎等科技獎勵,入選“中國高等學校十大科技進展”等。

根據粗略統計,黃維院士從2020年1月至今共發表瞭84篇文章。下面將對重要研究成果進行分類梳理,分別從光響應與發光材料、光電材料、能源、柔性電子和有機納米聚合物五個方面進行介紹,以饗讀者。

一、光響應與發光材料

1. 《Science Advances》:精準控制光致變色,實現多級防偽印刷

光致變色分子已經成為先進光子應用的重要材料,包括熒光成像、智能透鏡、光學數據存儲和防偽。然而,目前的光致變色材料在相同的光照條件下通常具有恒定的顯色性和顯色速率。此外,光致變色行為的調節往往需要復雜的化學合成和繁瑣的純化過程,這使得光致變色行為的調節既不方便又效率低下。最近,趙強教授和黃維院士報道瞭他們通過改變結晶紫內酯水楊醛肼(CVLSH)鋅配合物的反離子,實現瞭光致變色分子的著色性和著色速率按需精細控制。利用鋅配合物的可控光致變色特性,制備瞭智能光致變色薄膜,並成功實現瞭多級安全印刷。他們的策略為構建光響應材料鋪平瞭道路,這種材料的光致變色行為可以按需控制。

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https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaaz2386

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2. 《ACS Nano》:用刮下來的魚鱗做柔性電致發光器件

交流電流型電致發光器件(ACEL),與直流發光器件相比,具有功耗低、發光均勻、制作方便等優點,並且其能量轉換效率非常高,產生的熱量也少得多,使得其有望集成到可穿戴電子設備(如電子皮膚)中。目前大多數電致發光器件和電子顯示屏使用表面光滑、光學透明度高的塑料作為柔性襯底。但隨著塑料的廣泛使用,大量塑料垃圾的填埋和焚燒,造成地下水和空氣的嚴重污染,極大破壞我們的生態環境。近日,黃維院士、劉舉慶教授和於海東教授團隊開發瞭基於透明魚膠薄膜的柔性瞬態ACEL器件。制得的魚膠薄膜具有良好的柔性,可見光透射率高達91.1%,並可在24天內在土壤中完全降解。作者通過在魚膠膜上沉積銀納米線,成功制備瞭一種柔性、透明的薄膜電極。電極方塊電阻低至22.4Ω/sq,並保持82.3%透光率。基於銀納米線-魚膠薄膜電極的柔性ACEL器件在300 V電壓(頻率為400 Hz)工作條件下的發光強度為56.0 cd m-2,並顯示出良好的柔韌性以及生物可降解性。

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https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b09880

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3. 《自然·通訊》:三模發光有效提高有機材料的餘輝效率

有機餘輝材料指的是在激發光停止之後仍可繼續發光的有機材料。其可以應用在各種領域,如生物成像、信息存儲、傳感和安全保護。但是,目前隻有少數報道的餘輝效率(被吸收的光子轉化成餘輝的效率)能超過10%,有機餘輝材料要實現高的餘輝效率仍然是一個巨大的挑戰。最近,黃維院士和陳潤鋒教授成功得到瞭效率高達45%的有機餘輝材料。他們通過熱活化過程將穩定三重態(T1*)上的激子轉化為最低三重態(T1),然後將T1轉化為單重激發態(S1),以得到自旋允許的發光,從而顯著增強有機餘輝。這種餘輝是室溫下S1,T1和T1*的輻射衰減引起的非常規三模發光。由於其具有迄今為止報道的最高餘輝效率,三模餘輝代表瞭通過促進熱活化釋放穩定的三重態激子來設計高效有機餘輝材料的重要概念進展。

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-14669-3

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4. 自然·通訊》:多彩聚合物室溫磷光

發光可調和長壽命發光的功能材料最近成為信息加密、有機電子學和生物電子學應用的有力工具。黃維院士、安眾福教授與南洋理工大學趙彥利教授提出瞭一種通過自由基多組分交聯共聚合在聚合物中實現顏色可調超長有機室溫磷光(UOP)的設計策略。通過改變激發波長從254到370nm,這些聚合物顯示出從藍色到黃色的多色發光,其長壽命為1.2 s,在環境條件下的最大磷光量子產率為37.5%。此外,他們還探索瞭這些聚合物在基於顏色可調UOP特性的多級信息加密中的應用。這一策略為開發多色生物標簽和室溫長壽命發光材料鋪平瞭道路。

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-14792-1

5. 《Angew》:刺激響應性圓偏振有機超長室溫磷光

室溫磷光(RTP)和超長RTP(OURTP)的純有機材料近年來備受關註。然而,將圓偏振發光(CPL)技術集成到RTP/OURTP中是一個挑戰。黃維院士和陳潤鋒教授提出瞭一種通過將非手性熒光基團直接結合到酯鏈手性中心來實現CPL活性OURTP(CP-OURTP)的策略。這種柔性手性鏈的工程化使手性能有效地轉移到咔唑聚集體中,從而在光活化構象調控後,產生瞭壽命超過0.6 s、不對稱因子為2.3×10-3的強CP-OURTP。因此,所實現的CP-OURTP在室溫下是穩定的,但在50°C下可以快速失活至CP-RTP,在光激活/熱失活循環期間具有較高的CPL穩定性。基於這種特殊的光/熱響應和高可逆的CP-OURTP/RTP,成功地建立瞭一種具有CPL特性的壽命加密組合邏輯器件。

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https://doi.org/10.1002/anie.201915164

二、光電材料

1. 《Nature Electronics》:利用相同的兩個鈣鈦礦二極管實現雙向光信號傳輸

將光信號的產生和接收集成到一個器件中,從而允許兩個相同器件之間的雙向光信號傳輸,對於小型化和集成化光電器件的發展具有重要價值。然而,傳統的溶液可加工半導體具有固有的材料和設計限制,使得它們無法用於制造高性能的此類器件。黃維院士與瑞典林雪平大學高峰教授、深圳大學張文靜教授報道瞭一種能同時工作在發射和探測模式下的高效溶液處理鈣鈦礦二極管。該器件可以通過改變偏壓方向在模式之間進行切換,並且它具有超過21%的外部量子效率和亞皮瓦量級的光探測極限。兩種功能的工作速度都能達到幾十兆赫。得益於鈣鈦礦的Stokes小位移,他們的二極管在其峰值發射(~804 nm)處顯示出高的比探測率(超過2 × 1012 Jones),這允許兩個相同的二極管之間的光信號交換。為瞭說明雙功能二極管的潛力,他們證明它可以用來制作單片脈沖傳感器和雙向光通信系統。

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http://dx.doi.org/10.1038/s41928-020-0382-3

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2. 《Nature Photonics》:具有層間相互作用的Ruddlesden–Popper鈣鈦礦太陽能電池

二維Ruddlesden-Popper(2DRP)相鈣鈦礦與三維鈣鈦礦相比,具有更好的光穩定性和環境穩定性。然而,對於大體積烷基銨和2DRP鈣鈦礦骨架之間的相互作用,基本問題仍然存在。黃維院士、南京工業大學陳永華教授和吉林大學張立軍教授證明瞭一種新的大體積烷基銨2-(甲硫基)乙胺鹽酸鹽(MTEACl)存在硫-硫相互作用。除瞭較弱的范德華相互作用外,兩個MTEA分子中硫原子之間的相互作用使(MTEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)鈣鈦礦結構具有增強的電荷輸運和穩定性。結果表明,2DRP鈣鈦礦太陽能電池具有明顯提高的效率和穩定性。電池的功率轉換效率高達18.06%(17.8%經認證),耐濕性高達1512 h(在70%濕度條件下),熱穩定性高達375 h(在85   °C下),在持續光照下穩定性好(在最大功率點運行1000 h可保持初始效率的85%)。

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https://www.nature.com/articles/s41566-019-0572-6

3. 《AM》:用於鈣鈦礦太陽能電池的無毒雙功能抗溶劑

高質量鈣鈦礦薄膜的制備是實現高性能鈣鈦礦太陽電池(PSCs)的關鍵。溶劑與抗溶劑之間的有效平衡是在旋塗和熱退火過程中調節高質量鈣鈦礦薄膜的重要因素。黃維院士和南京工業大學秦天石教授開發瞭一種綠色、非鹵化、無毒的雙功能(抗)溶劑苯甲酸甲酯(MB),它不僅作為一種抗溶劑,在鈣鈦礦旋轉包覆步驟中快速生成晶體種子,而且作為鈣鈦礦前體的消解熟化劑,可防止熱退火過程中有機組分的損失,有效抑制雜鹵化鉛相的形成。因此,這種新型的雙功能(反)溶劑被用於平面n-i-p-PSCs中,用於制造高質量的鈣鈦礦層,從而獲得高達22.37%的功率轉換效率,且具有可忽略的遲滯和>1300h的穩定性。此外,由於MB的高沸點和低揮發特性,在不同的工作溫度(22-34 °C)下可重復獲得高性能PSCs。因此,開發出的雙功能溶劑體系可以為PSCs在全球各個季節和地區的升級和商業化提供一個有希望的平臺。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907123

4. 《Advanced Science》:快速微波退火工藝,助力高性能鈣鈦礦光伏器件

鈣鈦礦型太陽能電池(PSCs)的快速加工技術為提高生產效率提供瞭一條令人振奮的途徑。黃維院士和南京工業大學秦天石教授報道瞭一種快速微波退火工藝(MAP),以取代傳統的熱板退火工藝(HAP),並將鈣鈦礦的加工周期縮短到小於1分鐘。這得益於微波輻射的穿透性和同時性,MAP法能有效地消除鈣鈦礦薄膜中的雜相,從而獲得大於1μm的大尺寸晶粒。這些經MAP處理的鈣鈦礦薄膜具有純晶相、長的載流子壽命和低的缺陷密度,這可以在不需要額外增強器/鈍化層的情況下顯著提高PSC效率。倒平面PSCs的功率轉換效率從18.33%(HAP)提升至21.59%(MAP)和良好的穩定性,在環境條件下使用壽命>1000小時,無需封裝。此外,MAP還可以應用於大尺寸(10cm×10cm)鈣鈦礦薄膜的制備,以及對環境溫度和前驅體濃度的更大耐受性,使其成為一種可重復實際制備鈣鈦礦光伏材料的可靠方法。

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Https://doi.org/10.1002/advs.202000480

5. 《Angew》:乙酸甲銨實現高效、穩定全無機鈣鈦礦光伏器件

具有潛在穩定性改善的全無機鹵化鉛鈣鈦礦是光電應用的一個很有前途的候選材料。然而,由於最常用的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亞砜(DMSO)溶劑的限制,鈣鈦礦前驅體溶液中組分相互作用的基本問題仍然存在。黃維院士和陳永華教授報告瞭一個簡單而有效的相互作用剪裁策略,該策略涉及離子液體溶劑醋酸甲銨(MAAc),用於所有無機CsPbI3-xBrx鈣鈦礦。他們發現C=O與鉛(Pb2+)有很強的相互作用,並觀察到N-H…I氫鍵的形成。這種相互作用使鈣鈦礦前驅體溶液穩定,並通過延緩結晶,使無針孔、大晶粒、扁平的全無機鈣鈦礦薄膜的高質量生產成為可能。通過一步,無需進行抗溶劑處理,無論濕度如何的空氣處理方法,相應的光伏電池顯示出17.10%的高效率,在連續光照下長時間運行穩定性超過1500小時。

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https://doi.org/10.1002/anie.202004256

三、能源

1. 《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結用於光電解水

二維材料組裝構成的范德華異質結由於具有高效的電子耦合、電子空穴對分離、電荷轉移、低能壘、可調控帶隙等性質近來引起極大的研究興趣。西北工業大學黃維院士和新加坡南洋理工大學陳鵬教授首次展示瞭新型的0維/2維范德華異質結,其具有優異的光電解水性能,且易於規模化量產。該異質結基於0維的石墨烯量子點和2維的石墨烯片。氮硫摻雜的石墨烯量子點具有較窄的帶隙可促進吸光,極低的肖特基勢壘有利於光生電荷的分離及轉移,顯著的表面電荷重排和豐富的表面活性位點都有利於極大地提高光電解水的催化性能。低成本量產石墨烯量子點,並同時實現雜原子參雜改性,對這一新型零維納米碳材料的廣泛實際應用提供瞭可能。同時,這一工作也為方便高效地制備單層純石墨烯片提供瞭全新的方法。

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https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09554

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2. 《National Science Review》:異質空心殼用於連續收集太陽光

在自然界中,為瞭最大限度地吸收光並提高光合作用效率,在古老的生命體即藍藻中廣泛存在著光的連續收集。受自然界的啟發,黃維院士,中國科學院過程工程研究所、國科大王丹研究員提出瞭一種新的時間-空間順序捕獲單粒子光的概念,專門設計瞭由納米顆粒亞基組成的多孔殼的非均勻空心多殼結構(HoMSs)。在結構上,HoMSs由不同的帶隙材料組成,從而實現瞭不同波長光的有效捕獲。此外,在每個納米顆粒亞基中引入氧空位也可以增強光吸收。利用HoMSs中光的連續捕獲,400nm波長處的量子效率比相應的納米粒子提高瞭6倍。令人印象深刻的是,利用上述材料作為光催化劑,實現瞭高效的光催化水分解,而這是納米顆粒無法實現的。這種時間-空間順序收集太陽光的新概念為解決不斷增長的能源需求鋪平瞭道路。

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https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa059

四、柔性電子

1. 《Nano Letters》:金屬性“三明治”結構氣凝膠用於柔性電子傳感器件

隨著柔性應變傳感器在人機界面、柔性機器人、醫療監護等領域的迅速發展,柔性應變傳感器得到瞭廣泛的研究。黃維院士和朱紀欣教授首次報道瞭一種新的原位催化策略來制備金屬氣凝膠雜化物,該雜化物由氮化釩(VN)納米片和垂直排列的碳納米管陣列(VN/CNTs)修飾而成。在這種結構中,以二維VN納米片為主要骨結構的柔性器件在重復變形過程中具有良好的結構相容性。此外,夾層氣凝膠雜化物形成瞭高導電性的三維網絡,對應變響應行為具有顯著的敏感性。此外,成功地制備瞭基於VN/CNTs的柔性應變傳感器,在10%的小應變范圍內,應變系數高達386,響應速度快,具有優異的耐久性。而且成功實現瞭物理信號的監測和基於傳感器的實時人機控制系統。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00372

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五、有機納米聚合物

1. 《自然·通訊》:控制有機納米聚合物的立體選擇性

網格具有清晰的邊緣和頂點,代表瞭用於框架和架構安裝的多用途納米級構建塊,但在合成過程中難以進行立體選擇性控制。黃維院士和解令海教授報道瞭一種月牙形超親電含二氮芴底物(AmBn)的非對映選擇性格子化形成手畫手格的方法。在A1B1型底物的格子化過程中,meso-選擇性達到75.6%的非對映體過量(de),在A2B2型單體的聚格子化中,meso-選擇性保持在80% de左右。這種立體控制源於兩個電荷離域超親電體的中心對稱分子堆積,具有協同的π-π堆積吸引和庫侖排斥。由於meso-立體規則結構的長度為20∼30 nm,剛性環/鏈交替聚格子的Mark-Houwink指數為1.651,分子量(M)依賴於水動力半徑Rh ~M1.13。通過對鏈折疊的模擬,meso-結構的聚格子仍然采用棒狀構象,這有利於提高有機納米聚合物的剛性,有別於rac型聚格子的環狀骨架。

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-15401-x

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