金屬有機半導體可以說是一種“一材多用”的材料，具有非常優(yōu)異的光電性能，不過目前研究的金屬有機半導體大都含有銥、鉑等貴金屬原子，未來有可能發(fā)展基于廉價金屬且同樣具有優(yōu)異光電性能的新一代金屬有機半導體，實現(xiàn)它們在光電子器件中的應用。

　　在最近的熱播劇《都挺好》中，男主角蘇大強初次到女兒家時，便被可以升降的電視迷住了，拿著遙控器把玩了很久才放下。實際上，這臺可以升降的電視并沒有什么稀奇，只不過是安裝了一個電動升降支架。

　　同樣是可以升降的電視，今年年初亮相國際消費類電子產(chǎn)品展覽會的LG Signature OLED TV R則頗為不同，因為它的升降依靠的完全是其自身——屏幕卷曲。

　　“它利用的是 OLED （有機發(fā)光二極管）顯示屏可以卷曲的特性?！敝袊茖W院院士、西北工業(yè)大學常務副校長黃維向《中國科學報》解釋道，卷屏電視的問世，就是在有機發(fā)光二極管效率大幅提高的基礎上，將作為一種柔性材料的金屬有機半導體的撓曲式大面積優(yōu)勢應用到實際生活中的一個具體案例。

　　而憑借著對金屬有機半導體的創(chuàng)新性、系統(tǒng)性研究，黃維率領團隊完成的“金屬有機半導體的結構設計、性能調(diào)控與光電應用”成果，獲得了2018年度國家自然科學獎二等獎。

　　三種光電信息技術

　　據(jù)黃維介紹，該項目屬于電子信息科學中的半導體材料前沿學科方向，研究成果主要體現(xiàn)在三個方面：提高了有機發(fā)光二極管效率、實現(xiàn)了高密度和高安全性信息存儲和提高了生物信息傳感信噪比。實際上，這三個方面的成果對應的就是現(xiàn)實生活中的三種光電信息技術，分別是信息顯示技術、信息存儲技術和信息傳感技術。

　　“有機發(fā)光顯示就是大家熟悉的OLED技術。OLED由于具有自發(fā)光、高對比度、可實現(xiàn)柔性顯示等諸多優(yōu)勢，被公認為是極具競爭力和廣闊應用前景的新一代顯示技術?！秉S維說，在研究之初，作為OLED基本器件單元的有機發(fā)光二極管電能轉化成光能的效率很低，無法使其走出實驗室，這成為學術界和工業(yè)界共同面臨的難題。

　　經(jīng)過多年研究，黃維團隊提出了“位阻功能化和高分子化策略”“p-n金屬有機半導體設計策略”以及“動態(tài)自適應設計原理”，設計了高性能金屬有機半導體，使OLED顯示屏電光轉化效率得到顯著提升，而且在材料結構不斷優(yōu)化的同時，其制備成本也不斷降低，“有望突破有機發(fā)光二極管的性能瓶頸，進一步加快OLED顯示技術的全面市場化”。

　　另外，研究團隊還致力于推動金屬有機半導體的多功能化，發(fā)展智能響應型金屬有機半導體，實現(xiàn)了高密度和高安全性信息存儲。

　　“傳統(tǒng)的存儲技術受到摩爾定律和材料功能單一的限制，存儲密度很難再進一步提升?！眻F隊成員、南京郵電大學教授趙強告訴《中國科學報》，研究團隊經(jīng)過十多年的研究發(fā)現(xiàn)，有機半導體會在外界物理刺激下產(chǎn)生電學或光學信號的“智能響應”行為，“比如，給它加個電場，其分子材料的電學性質(zhì)和光學性質(zhì)就會發(fā)生顯著變化，這種特性可以用于高密度和高安全性的信息存儲”。

　　因此，基于這種“智能響應性”，研究團隊提出了可印刷加工的二階和三階金屬聚合物信息存儲半導體的設計新策略，制備了高穩(wěn)定電存儲器，率先研制了基于單一聚合物的三階信息存儲器，為實現(xiàn)高密度和高安全性信息存儲提供了有效途徑。

　　此外，在生物醫(yī)學光學檢測與成像研究中，生物樣品大量內(nèi)源性熒光物質(zhì)在激發(fā)光作用下會產(chǎn)生背景熒光，造成嚴重信號干擾，使得檢測信噪比、靈敏度和準確度都大幅度下降。針對這一情況，研究團隊利用金屬有機半導體磷光發(fā)光“壽命長”這一特點，通過時間分辨光學技術，將其與短壽命背景干擾熒光相區(qū)分，顯著提高了檢測信噪比和靈敏度。

　　據(jù)趙強介紹，他們是國際上最早開展這方面研究的團隊之一，近期在國際頂級期刊《化學評論》上發(fā)表了相關綜述文章，總結了他們多年來的研究成果。

　　處于國際領先水平

　　據(jù)了解，黃維團隊的研究成果還被諾貝爾獎得主、美國科學院/工程院院士等國際同行廣泛引用、高度評價。他領銜的研究團隊是國際上最早涉足“有機光電子”研究的團隊之一，很多研究成果在國際上處于領先水平。

　　比如，在信息顯示方面，研究團隊提出的半導體位阻功能化和高分子化策略，將固態(tài)發(fā)光效率提高了幾十倍，獲得同期、同類型壽命最長的器件；在國際上首次提出有機光電材料的動態(tài)自適應設計原理，打破了常規(guī)有機半導體靜態(tài)結構設計理念，為有機半導體的智能化調(diào)控提供了全新思路和技術途徑。在信息存儲方面，研究團隊率先制備了基于單一聚合物的三階信息存儲器，顯著提高了器件的存儲密度，在此基礎上還發(fā)展了一種全新的信息保護技術。在信息傳感方面，研究團隊在國際上較早地將長壽命磷光材料用于生物醫(yī)學領域，有效解決了通常存在的“生物背景熒光干擾導致檢測信噪比低”這一難題，拓展了長壽命磷光材料在生物醫(yī)學領域的應用。

　　“我們已經(jīng)與國內(nèi)的多家大型顯示技術公司，如京東方等展開合作，將高性能發(fā)光材料推向產(chǎn)業(yè)應用?！秉S維對該研究成果的應用前景信心十足，“在信息傳感方面，我們開發(fā)了可用于檢測多種重大疾病標志物的高靈敏傳感器，這些成果有望實現(xiàn)重大疾病的早期診斷，目前正在與一些醫(yī)院開展合作；同時，還可以利用有機半導體自身優(yōu)勢，制備柔性存儲器件，實現(xiàn)低功耗、自驅動柔性可穿戴信息存儲新模式”。

　　黃維指出，金屬有機半導體可以說是一種“一材多用”的材料，具有非常優(yōu)異的光電性能，不過目前研究的金屬有機半導體大都含有銥、鉑等貴金屬原子，未來有可能發(fā)展基于廉價金屬且同樣具有優(yōu)異光電性能的新一代金屬有機半導體，實現(xiàn)它們在光電子器件中的應用?！按送?，相信一些新型的三重態(tài)磷光材料也將相繼被開發(fā)出來，不斷豐富這類半導體材料的種類和應用范疇。”

　　偶然之中有必然

　　實際上，黃維1979年進入北京大學化學系讀書時，專業(yè)是物理化學和計算化學，之后轉向納米材料和光電高分子材料，最后才于上世紀90年代初把研究方向鎖定在國際前沿學術領域——有機電子學和柔性電子學。

　　對于如今這些研究成果的取得，他將原因歸結為自主創(chuàng)新：“只有堅持自主創(chuàng)新，才能使‘中國制造’邁向‘中國創(chuàng)造’?！?/span>

　　但自主創(chuàng)新不可能一蹴而就，也不可能僅靠一時的奇思妙想，放在黃維身上來看，就是日復一日、年復一年的科學研究——早在北大求學時，他就是實驗室走得最晚的人，時至今日，仍然可以保持一周七天的工作常態(tài)，由此也產(chǎn)生了近三十年來一個個令他記憶猶新的科研故事。

　　比如，2010年的一個傍晚，黃維指導的博士研究生安眾福正在昏暗的環(huán)境里做實驗，偶然間在有機半導體中發(fā)現(xiàn)了長余輝發(fā)光現(xiàn)象。起初，由于選擇激發(fā)光源和有機半導體的余輝時間比較短等原因，他的這個偶然發(fā)現(xiàn)還被其他同學拿來開玩笑：“餓得眼花，肯定是幻覺。”但后來在團隊成員、南京郵電大學教授陳潤鋒與新加坡國立大學教授劉小鋼的共同指導以及南京郵電大學博士史慧芳的協(xié)作下，經(jīng)過五年的不懈努力，終于將這個“幻覺”變成了《自然—材料》雜志上的一篇研究成果論文。而后，黃維團隊又經(jīng)過三年的努力，一次次“偶遇”新奇的長余輝現(xiàn)象，并取得一系列研究成果，將論文發(fā)表在《美國化學會志》《德國應用化學》等國際著名期刊上。

　　“一次次偶遇是無數(shù)次辛苦付出的必然邂逅?！秉S維說，在有機長余輝領域取得的系列成果，也是研究團隊在科學技術前沿領域中聚焦科研、深入探索的創(chuàng)新體現(xiàn)，在國際上處于引領地位。