有機光電子與分子工程教育部重點實驗室

編者按:有機光電子與分子工程教育部重點實驗室(以下簡稱實驗室)依托于清華大學化學系，以化學為基礎(chǔ)、以分子工程學為手段，以發(fā)展新型有機光電功能材料和器件為目標，重點發(fā)展跨化學、化工、材料、信息及能源等領(lǐng)域的有機光電子學和分子工程學的理論和實踐。實驗室自2003年11月成立以來，在新型有機電致發(fā)光分子、兩親性分子、生物分子修飾的共軛分子、光致變色光敏分子、功能梳形共聚物分子、納米晶和光子晶體的合成制備及其在新型有機平板顯示器、有機場晶體管、有機光耦器件、有機太陽能電池、三階非線性全光開關(guān)、新型鋰電池、燃料電池中的應(yīng)用等方向均取得了顯著的成績；發(fā)展了納米晶催化、原子經(jīng)濟反應(yīng)和綠色合成化學等新方向，豐富了有機光電子理論和分子工程學理論；在全面解決材料設(shè)計與合成、器件制備與封裝、屏體的驅(qū)動和老煉等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，建成了我國第一條OLED大規(guī)模生產(chǎn)線，實現(xiàn)了OLED屏及模塊的批量生產(chǎn)和銷售，其中高可靠性O(shè)LED顯示屏已成功應(yīng)用于“神七”艙外航天服上。

新型有機光電功能材料與有機發(fā)光器件

圍繞提高載流子注入和傳輸性能，發(fā)展了Li3N、KBH4、LiCoO2等新型電子注入材料，提出非給體-受體結(jié)構(gòu)設(shè)計雙極性材料的思想，設(shè)計并合成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能電子和空穴傳輸通道一致的多種光電材料，其電子遷移率比目前國際上廣泛應(yīng)用的電子傳輸材料Alq3高兩個量級，發(fā)光效率提高100%，壽命延長50%以上，應(yīng)邀在《Advanced Materials》上發(fā)表雙極性材料設(shè)計新思路綜述。

為提高載流子復合發(fā)光效率，設(shè)計合成了新型離子型和中性銥配合物，制備了具有重要應(yīng)用價值的高性能近紅外磷光發(fā)光器件；發(fā)明了無機絕緣材料摻雜有機空穴傳輸層和多個發(fā)光層同時發(fā)同一顏色光的器件結(jié)構(gòu)，擴展了電子空穴復合區(qū)域，極大地提高了器件的穩(wěn)定性，發(fā)光壽命超過105h，達到目前世界的最高水平。

針對熱活化延遲熒光(TADF)材料中存在的高三線態(tài)激子轉(zhuǎn)換效率與高發(fā)光效率的矛盾，提出了熱活化敏化發(fā)光機制，利用TADF 材料作為主體，敏化傳統(tǒng)的熒光或磷光染料。基于該機制，器件的效率僅取決于主體材料的上轉(zhuǎn)換效率和客體材料的發(fā)光效率，從而獲得了高效、穩(wěn)定的OLED器件。

首次提出和構(gòu)建了光、電壓等刺激響應(yīng)高分子體系，制備了高性能染料敏化太陽能電池器件、光電耦合器件，成功可逆地控制了主導酞菁聚集分子間弱相互作用力的大小，實現(xiàn)了對酞菁光電性能的光調(diào)控；制備了高性能無機/有機復合膜，提高了全釩液流電池性能，開辟了有機電致發(fā)光和光電響應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

從左至右：OLED柔性顯示，用于“神七”宇航員艙外航天服的OLED顯示器，OLED光源

激發(fā)態(tài)理論與光電材料性質(zhì)預(yù)測

根據(jù)分子的電荷激發(fā)與分子振動耦合強度，總結(jié)出了電荷傳輸?shù)牟煌瑱C制 (AdvMater. 2011，23：1 145)，即①強耦合區(qū)的局域電荷傳輸?shù)牧孔雍怂泶┠Ｐ?，并建立了有機半導體電荷遷移率的多尺度計算方法，提出了動態(tài)無序會升高而不是減低遷移率的新觀點；② 弱耦合區(qū)的形變勢模型及其第一性原理計算方法，應(yīng)用到碳基材料中，預(yù)言了石墨烯的遷移率可以達到30萬cm2/Vs、石墨二炔10萬cm2/Vs，及其納米帶狀材料遷移率隨帶寬變化的尺度效應(yīng) (JAmChemSoc. 2009, 131：17 728；ACSNano. 2011, 5：2 593；Nanoscale2012, 4：4 348)。應(yīng)Springer出版社邀請撰寫專著一本，總結(jié)了電荷傳輸理論。

采用量子-經(jīng)典結(jié)合的方法，應(yīng)用自主發(fā)展的激發(fā)態(tài)輻射和無輻射躍遷速率的振動關(guān)聯(lián)函數(shù)理論計算方法，結(jié)合含時密度泛函理論的數(shù)值計算，給出了分子間氫鍵作用提高有機發(fā)光效率的機理 (JPhysChemA.2012，116：3 881)。該理論方法成功地解釋了吡嗪的兩個衍生物具有截然不同的固態(tài)發(fā)光行為，即2,3-dicyano-5,6-diphenylpyrazine具有奇異的聚集增強發(fā)光效應(yīng)，而2,3-dicyanopyrazino-phenanthrene卻表現(xiàn)出正常的聚集淬滅發(fā)光行為 (JComputChem. 2012，33：1 862)。

提出了一套組合算法，預(yù)測有機能源材料的性能：①在玻爾茲曼輸運框架下應(yīng)用形變勢模型計算電子的電導和熱導以及Seebeck系數(shù) (JChemPhys.2009，131：224 704)、非平衡分子動力學模擬計算晶格的熱導 (JPhysChemC.2011，115：5 940)，從而可以不依賴于任何人為的干預(yù)參數(shù)，預(yù)測材料的熱電優(yōu)值；②發(fā)展了動力學蒙特卡洛結(jié)合泊松方程的數(shù)值計算方法，研究有機高分子太陽電池材料的微觀形貌、電荷遷移、激子分離與電荷復合等過程對光伏轉(zhuǎn)換效率的影響(JChemPhys.2011，134：124 102)。

在第一性原理的框架下計算研究了金屬表面分子自組裝層調(diào)節(jié)金屬功函數(shù)的規(guī)律，從而可實現(xiàn)降低電荷注入勢壘。長期以來，人們對于金表面與硫醇分子層的界面偶極到底是多大存在激烈的爭論。筆者團隊指出，要正確理解界面偶極，應(yīng)該從飽和硫醇與金表面電荷重排出發(fā)，而不應(yīng)采用最終的脫氫結(jié)構(gòu) (PCCP.2010，12：4 287)。采用分子動力學，在全原子的水平上計算模擬了光控偶氮苯與環(huán)糊精的自組裝行為，得到了組裝過程的自由能曲線 (JPhysChemB.2012，116：823)。

從分子結(jié)構(gòu)和堆積結(jié)構(gòu)預(yù)測材料的光電性能是理論化學的重要挑戰(zhàn)，其核心科學問題是分子與聚集態(tài)的電子激發(fā)過程的理論描述。實驗室在以上4個方面均取得了進展。

建立了描述電荷傳輸?shù)睦碚摲椒ú⒊霭媪藢Ｖ?/p>

分子催化與定向轉(zhuǎn)化

光電響應(yīng)有機分子的高效催化合成 建立了以炔烴環(huán)羰基化、環(huán)加成等為平臺合成新穎光電響應(yīng)有機分子的綠色催化反應(yīng)新方法，發(fā)展了使炔烴還原為烯烴的高選擇性催化氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)新體系。提出了通過改變鍵接無機載體與金屬配合物催化劑配體的碳鏈長度調(diào)控固載化金屬配合物催化劑“柔韌性”的研究思想，實現(xiàn)了銠-膦配合物催化劑的柔韌化固載和循環(huán)使用。

生物甘油增值利用的催化化學 系統(tǒng)研究了甘油脫水制丙烯醛反應(yīng)的固體酸堿催化作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了幾類性能良好的選擇性制取丙烯醛固體酸催化劑；在國際上率先建立了甘油脫水反應(yīng)活性和選擇性與固體催化劑表面酸堿性質(zhì)的關(guān)系，提出了對表面催化活性位本質(zhì)的認識。發(fā)明了針對甘油氫解制丙二醇反應(yīng)的Ru-Re雙組分高效催化劑，提出了Ru-Re協(xié)同催化機制。

天然氣、合成氣的催化定向轉(zhuǎn)化 基于前期發(fā)展的“納米復合物型”Ni/ZrO2和Ni/MgO催化劑，發(fā)展了催化劑制備放大與成型工藝，實現(xiàn)了高壓下(1.0～1.5 MPa)節(jié)能“水蒸氣-CO2聯(lián)合重整甲烷”催化新工藝。針對甲烷選擇氧化制合成氣反應(yīng)，發(fā)展了制備高效、穩(wěn)定Ni基催化劑的新方法。針對合成氣定向轉(zhuǎn)化，揭示了合成氣反應(yīng)活性和生成低碳烯烴選擇性與ZrO2催化劑晶相結(jié)構(gòu)的關(guān)系，發(fā)明了對生成低碳醇有良好選擇性的Cu-MgO-CeO2催化劑。

節(jié)約貴金屬Pt的納米結(jié)構(gòu)催化劑與功能 提出了在異種金屬納米粒表面沉積(亞)納米Pt島，創(chuàng)制和發(fā)展節(jié)約Pt貴金屬的納米結(jié)構(gòu)(記為Pt^M)催化劑的研究思路；系統(tǒng)研究了Pt原子利用率高的Pt^M(M= Au、Ag)納米結(jié)構(gòu)的制備、結(jié)構(gòu)特點、Pt-M作用與催化功能規(guī)律。針對Pt^Au體系，建立了幾個基礎(chǔ)構(gòu)-性關(guān)系，深化了對納米尺寸效應(yīng)本質(zhì)的理解，為相關(guān)納米結(jié)構(gòu)催化劑的理性設(shè)計提供科學依據(jù)。

節(jié)約貴金屬Pt的納米結(jié)構(gòu)催化劑

超分子組裝體的構(gòu)筑、調(diào)控與功能

提出了超兩親分子的新概念，可用于構(gòu)筑小分子型、高聚物型以及響應(yīng)性超兩親分子，既為高級自組裝提供了新構(gòu)筑基元，又為制備超分子材料開拓了新途徑，應(yīng)邀在AccChemRes和ChemSocRev撰寫綜述。研究成果被《ACS Noteworthy Chemistry》以及《NPG Asia Materials》等媒介專門評介，指出：“他們的研究成果極大地拓寬了現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)控制的方法和范圍”。

發(fā)展了利用“Bottom-up”方式制備高質(zhì)量單層石墨烯的新途徑，提供了制備和構(gòu)建傳統(tǒng)方法難以獲得的特殊材料和化學體系的新途徑。該成果被德國《應(yīng)用化學》選為熱點文章?！禖hemical & Engineering News》，《Nature China》以及《NPG Asia Materials》同時對該成果進行了推介，指出：“…李廣濤等發(fā)展了一種比已報道方法更具優(yōu)勢和可重復性的Bottom-Up方法合成純凈單層石墨烯…。”

超兩親分子及可控自組裝

在國際上率先制備了一系列含硒嵌段高分子，其自組裝形成的聚集體具有靈敏的氧化還原響應(yīng)性以及伽瑪射線響應(yīng)性，從而發(fā)展了一類新型的生物高分子，有望成為化療-放療相結(jié)合的藥物載體。成果發(fā)表在JAmChemSoc并入選ESI高引用論文。

以多重主體加強型電荷轉(zhuǎn)移作用，克服了弱相互作用由于其結(jié)合常數(shù)較低、缺乏方向性等缺點而很難用于超分子聚合物的制備的難題，成功地制備了高聚合度的超分子聚合物，建立了超分子聚合物制備的一類新的方法。該研究成果發(fā)表于德國《Angew Chem Int Ed》，被選為熱點文章。

將分子自組裝與分子印跡技術(shù)相結(jié)合，提出了構(gòu)建具有傳感信號自表達特性的高性能化學和生物傳感體系的新思路。發(fā)表在AdvMater.2010，22：2 689，被《NPG Asia Materials》進行了專題報道，指出：“這一技術(shù)有望用于制備具有識別特定分子尤其是生物分子能力的器件，并用于疾病的診斷?！?/p>

學術(shù)成果

經(jīng)過多年的發(fā)展，實驗室不但實現(xiàn)了重大的學術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新，并且培養(yǎng)了一批具有學科交叉優(yōu)勢的創(chuàng)新性人才。目前擁有一支高水平的研究隊伍，教授15人、副教授10人；其中中國科學院院士2人，長江特聘教授6人，杰出青年基金獲得者8人。開展的“有機發(fā)光顯示材料，器件與工藝集成技術(shù)和應(yīng)用”項目獲2011年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。實驗室在2012年教育部評估中獲得優(yōu)秀。大量研究成果發(fā)表在NatChem,NatCommun,JAmChemSoc,AgewChemIntEd和AdvMater等著名期刊上，多篇文章被選為期刊封面并被NatureChina、美國化學會和英國皇家化學會的欄目點評。