黄维院士团队和解令海教授课题组成功实现了光子晶体介观形态与半导体特性的对立统一

黄维院士团队和解令海教授课题组成功实现了光子晶体介观形态与半导体特性的对立统一。相关研究成果以“Gridization-Driven Mesoscale Self-assembly of Conjugated Nanopolymers into Luminescence-anisotropic Photonic Crystals”为题，于2022年1月13日在线发表在Advanced Materials上。

原文链接Doi：

https://doi.org/10.1002/adma.202109399

激子和光子作为未来信息智能系统的重要物理载子/媒介，表现出诸多优势。然而，随着柔性电子、量子计算、信息显示、人工智能以及物联网等颠覆性与变革性技术的发展，未来光学材料介质要求具备轻柔薄透、低成本制造、低能耗工作、可穿戴抗干扰、生物兼容低毒、易回收可循环等的特点。

图1 有机纳米聚合物柔性半导体光子晶体塑料

在众多新概念光学材料中，以碳元素为主的有机类光学材料则具有上述优势并能够满足未来发展的趋势，特别是研发有机柔性光学介质具有重要的科学意义。然而，尽管以液晶和有机电致发光材料为代表的有机光学材料实现了商业化，但是由于有机材料的分子局限性，目前有机电泵浦激光仍没有完全实现，这意味着发展新概念有机半导体材料仍有巨大空间。

不同于第三代宽带隙半导体、量子点、碳纳米、二维材料、二维高分子、共价有机框架（COF）/金属有机框架（MOF）材料以及杂化钙钛矿等材料体系，南京邮电大学黄维院士团队解令海教授课题组定义了有机纳米聚合物（Organic Nanopolymers），开拓了有机纳米聚合物半导体与光学材料方向，借助原创的跨尺度格子化学（Cross-scale Gridochemistry），成功实现有机聚合物半导体的构筑以及聚集态形貌调控，从而可获得极低能量无序度（< 50 meV）与高介电常数（k = 8.43，接近于无机GaN）等优异的电学性质。

薄膜形态1

薄膜形态2

南京邮电大学的博士生林冬青做了题为“共轭纳米聚合物的介观组装及其一维光子晶体”的报告：

在有机半导体的空间设计思想指导下，实现了薄膜导向的分子设计策略与有机纳米聚合物的多尺度有序化效应相结合，将宽带隙蓝光芴基共轭聚合物成功进行格子化改造，实现了一类π-共轭格基纳米聚合物（又称为共轭聚格）的构筑。这类共轭聚格可在甲苯溶剂中凭借溶剂浇铸法/溶剂热退火法等简单工艺一步原位形成一维光子晶体，在保持半导体的特征下，该光子晶体类似于蝴蝶的翅膀——兼顾介观周期性的微结构特征与机械柔性。

图2 共轭聚格的介观组装形貌及其角分辨反射谱

在本工作中，研究人员发现，相比于非格的π-共轭聚芴骨架，共轭聚格既可借助格芳烃单元的超位阻效应抑制链间聚集过程，又凭借共价锁定特征抑制构象平面化与结晶化，进而介观组装形成了具有层层堆积结构的透明光学薄膜。通过角分辨反射谱观察到一系列的光学干涉条纹，这些干涉条纹具备角度依赖的蓝移特征，满足Bragg-Snell衍射方程，从而证实了光子晶体的性质。

图3 角分辨发光、ASE与机械柔性行为

在此基础上，这类层层堆积的光子晶体还具有特殊的角分辨荧光各向异性（通过探测器角度变化实现蓝光与绿光发射的转变），其电致发光效率也比传统旋涂薄膜高2~4倍。并且，该光子晶体膜具有ASE特征，其波导损耗系数为2.60 cm-1，达到了共轭聚合物的最低水平。

团队介绍以及前期低成本半导体SFX化学基础虚拟仿真视频

除此之外，不同于GaAs以及SiO₂等无机光子晶体，这类有机光子晶体还具有机械柔性，展现出15%的最大拉伸应变、65 MPa的弹性模量以及30~40 J m-3的韧性。该工作可作为有机半导体/柔性电子领域重要的里程碑，发展了新一代光学塑料材料，开拓了介观光子晶体导向的分子设计，有效简化了光子晶体的加工方式，为实现仿生类柔性智能光子器件提供了巧妙的分子平台。未来，研究人员将进一步在格基纳米聚合物骨架上进行分子修饰，以适当调控介观组装行为并拓展激光振荡等优异功能，尝试面向有机电泵浦激光开展研究。

南京邮电大学的博士生林冬青为第一作者，魏颖副研究员、解令海教授与黄维院士为共同通讯作者。除此之外，南京邮电大学的陈淑芬教授、中科院化学所的赵永生教授、南京理工大学的盛传祥教授以及中国科学技术大学的张文华教授等在发光与结构性质等深层次表征方面给予了支持与帮助。

该工作在南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室平台上完成，并获得了国家自然基金委面上项目（21774061）与国家自然科学基金重大研究计划集成项目（91833306）等大力支持。

相关作者介绍

黄维院士
黄维，中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士，中国有机电子学与柔性电子学的主要奠基者，西北工业大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家“973计划”项目首席科学家。主要研究领域为纳米材料与技术和有机电子与器件等。在有机光电子学、柔性电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果。 解令海教授解令海，南京邮电大学二级教授，国家百千万人才工程（“有突出贡献中青年专家”），国务院政府特殊津贴，国家自然科学基金优秀青年基金（2013-2016），教育部新世纪优秀人才，江苏省“六大人才高峰”创新人才团队带头人，江苏省高等学校优秀科技创新团队带头人。研究方向为有机/柔性半导体材料与化学、人工智能机器人化学家（AiRCs），发表300余篇文章，包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem、JACS和ACIE等，论文他引7000余次；主要学术贡献：研发了低成本螺芴（SFX）类半导体，被学术界广泛认同以及工业界的采纳；提出了有机半导体的格子化学，开创了有机纳米格芳烃及其纳米聚合物材料方向。
魏颖副教授魏颖, 南京邮电大学副教授、鼎新学者。2005 至 2009 年获得吉林化工化学学士学位；2009至2014年获得东北师范大学理学博士学位；随后加入南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院（IAM）/材料科学与工程学院。目前，主要研究方向为格芳烃化学，格子聚合物光电材料的设计、合成及其性质研究。 林冬青博士林冬青，南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院2017级博士研究生（导师：黄维院士、解令海教授与魏颖副教授），其主要研究方向为一维有机纳米聚合物的设计合成、多级结构与光电性质调控。迄今为止，他以一作身份在Nat. Commun.、Adv. Mater.、 Research以及Org. Lett.等国际著名期刊发表论文4篇，其他参与发表的文章约17篇。除此之外，他将研发的兼顾蓝光发射与本征柔性的有机纳米聚合物材料转化为可穿戴蓝光OLED技术产品，以技术总监身份参与第七届互联网+大学生创新创业大赛（排名3/15），获全国金奖。

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编辑：黄琦

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