4.1　有機(jī)光電功能半導(dǎo)體分子材料研究背景

有機(jī)光電功能半導(dǎo)體分子材料是以結(jié)構(gòu)和光電性能可設(shè)計(jì)的有機(jī)半導(dǎo)體分子為基礎(chǔ)的材料體系，是材料科學(xué)研究的前沿方向。近年來，隨著材料體系的不斷發(fā)展，由此構(gòu)建的有機(jī)電路在柔性顯示、仿生電子皮膚、仿生視覺系統(tǒng)、仿生神經(jīng)系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，已然成為構(gòu)建柔性電子器件的重要功能體系之一，為電子學(xué)的發(fā)展帶來全新的機(jī)遇。本報(bào)告特選出我國有機(jī)光電功能半導(dǎo)體分子材料在以下幾個(gè)領(lǐng)域的科技前沿?zé)狳c(diǎn)進(jìn)行評(píng)述（圖4-1）：有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）、有機(jī)太陽能電池（OPV）、有機(jī)熱電（OTE）、有機(jī)自旋器件（OSV）。

4.1.1　OLED

自從1987年鄧青云等首次報(bào)道了基于具有雙層夾心結(jié)構(gòu)的OLED以來，OLED得到了大量的研究和快速發(fā)展[1]。高性能有機(jī)發(fā)光分子材料的研究發(fā)展使得基于有機(jī)材料的顯示和照明設(shè)備性能相比無機(jī)材料展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，如廣色域、低功耗、高顯色指數(shù)、柔性等尤其在先進(jìn)顯示技術(shù)（如：柔性顯示、VR等）領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值日益受到人們的關(guān)注。隨著OLED光電材料、生產(chǎn)工藝和封裝技術(shù)的快速發(fā)展，許多公司也逐步推進(jìn)OLED的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2012—2013年，Samsung、LG Display、Sony、Panasonic等相繼發(fā)布大尺寸（55～77英寸）AMOLED電視。近年來，超薄玻璃、薄膜封裝、分形設(shè)計(jì)等新技術(shù)的應(yīng)用使得AMOLED逐漸朝著柔性化的方向發(fā)展。2018年，Samsung正式將折疊屏幕搭載于Galaxy Fold智能手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了折疊屏幕的商業(yè)化應(yīng)用，華為也在同年發(fā)布了基于折疊屏幕的Mate X。有機(jī)光電功能分子材料及柔性電子技術(shù)的發(fā)展必將使得OLED在可卷曲、可穿戴電子器件領(lǐng)域引領(lǐng)未來的研究和商業(yè)化發(fā)展。

4.1.2　OFET

自1986年Tsumura等[2]報(bào)道第一個(gè)基于聚噻吩的OFET器件以來，有機(jī)半導(dǎo)體分子材料得到了快速發(fā)展并取得了重大突破。其中，P型聚合物半導(dǎo)體的性能已經(jīng)超過了20cm2·V?1·s?1，電子遷移率普遍低于5cm2·V?1·s?1。基于有機(jī)高分子材料的OFET器件具有質(zhì)輕、成本低、可用溶液法加工、柔韌性好、功能易調(diào)節(jié)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。作為電子器件的基本元件，在傳感器尋址、信號(hào)讀出和放大等發(fā)揮著重要作用，是構(gòu)建柔性電子器件的理想載體之一。基于有機(jī)高分子材料的前沿應(yīng)用已經(jīng)拓展到有機(jī)近紅外探測(cè)器、可拉伸OFET、OFET驅(qū)動(dòng)AMOLED電路、生物檢測(cè)等，從而推動(dòng)柔性電子學(xué)特別是可卷曲、可穿戴電子器件的發(fā)展，該領(lǐng)域得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

4.1.3　OPV

以硅為代表的無機(jī)太陽能電池從20世紀(jì)50年代開始取得了巨大的成果且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，其光電轉(zhuǎn)化效率從6%提升到了26.3%[3]，但是硅太陽能電池在制備過程中存在工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，限制了硅太陽能電池大規(guī)模商業(yè)化。OPV由于具有價(jià)格低廉、質(zhì)量輕便、容易加工、可柔性化等優(yōu)勢(shì)引起了廣大研究學(xué)者的極大興趣（圖4-2）。Weinberger等[4，5]在1982年以聚乙炔為半導(dǎo)體分子材料制備了第一個(gè)聚合物OPV，對(duì)于OPV的發(fā)展具有里程碑意義。1986年，Tang等[6]利用酞青銅作為給體和芘作為受體材料首次制備了雙層結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化效率1%的突破。進(jìn)入到21世紀(jì)后，OPV光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)了飛速提升。Sariciftci等人[7]在2003年首次將聚三己基噻吩（P3HT）/［6,6］-苯基-C61-丁酸異甲酯（PCBM）退火后作為活性層用于制備有機(jī)太陽能電池，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化效率從0.4%到3.5%的提升。2015年占肖衛(wèi)等[8]發(fā)明了ITIC類非富勒烯電子受體，極大地推動(dòng)了OPV的發(fā)展，目前單結(jié)OPV驗(yàn)證效率已經(jīng)超過17%[9]。

4.1.4　OTE

能源和環(huán)境問題是人類社會(huì)目前面臨的重大挑戰(zhàn)。太陽能、風(fēng)能、潮汐能、核能等綠色可再生能源的開發(fā)利用得到了廣泛的關(guān)注。其中熱能以多種形式存在，如太陽輻射、工業(yè)廢熱、人體熱等，將這些熱能轉(zhuǎn)化為電能，將更好地優(yōu)化能源轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，在一定程度上緩解能源危機(jī)。熱電效應(yīng)是能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)化的物理效應(yīng)，主要包括塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)。1821年德國科學(xué)家塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料中的載流子在溫差驅(qū)動(dòng)下從高溫端向低溫端移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）。隨后，1834年法國科學(xué)家Peltier發(fā)現(xiàn)了帕爾貼效應(yīng)（Peltier Effect）可以將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)熱電制冷。自20世紀(jì)50年代窄帶隙無機(jī)半導(dǎo)體得到迅猛發(fā)展以來，以碲化鉍（Bi₂Te₃）、碲化鉛（PbTe）等為代表的無機(jī)熱電材料的性能大幅提升，熱電優(yōu)值已超過2.0。近年來，伴隨著柔性電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，有機(jī)熱電分子材料展現(xiàn)出來源豐富、質(zhì)量輕、成本低、可用溶液法加工等優(yōu)點(diǎn)；更為重要的是該類材料具有低的熱導(dǎo)率，在中低溫發(fā)電等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為熱電材料組成的重要補(bǔ)充。

4.1.5　OSV

高信息存儲(chǔ)密度、高信息集成程度、高信息傳輸速度等是目前信息大爆發(fā)時(shí)代的重要發(fā)展目標(biāo)，自旋電子學(xué)在高密度信息存儲(chǔ)領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。1988年法國的Chazelas等[10]通過制備基于［Fe（d1）/Cr（d2）］₆₀交替結(jié)構(gòu)的多層膜器件在巨磁阻效應(yīng)領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性的研究結(jié)果。隨后，德國的Zinn等[11]通過研究基于Fe/Cr/Fe三層膜器件結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)，也發(fā)現(xiàn)了由鐵磁性的材料層和非磁性的材料層交替生長(zhǎng)制備的器件具有巨磁阻效應(yīng)。因在“巨磁電阻效應(yīng)”這一全新物理機(jī)制方面的重大發(fā)現(xiàn)，二人共同獲得2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。對(duì)比無機(jī)材料而言，有機(jī)半導(dǎo)體分子材料通常由原子序數(shù)Z較小的輕元素碳、氫、氧、氮、硫組成，而自旋軌道耦合耦合與Z4成正比，因此有機(jī)半導(dǎo)體分子材料具有較弱的自旋軌道耦合作用，被認(rèn)為是具有優(yōu)勢(shì)的自旋輸運(yùn)載體。2004年Xiong等[12]應(yīng)用有機(jī)小分子8-羥基喹啉鋁（Alq₃）作為自旋傳輸層，制備了第一個(gè)基于有機(jī)小分子的OSV器件，并在10K低溫下觀測(cè)到40%的磁電阻MR響應(yīng)，該項(xiàng)工作開啟了有機(jī)自旋電子學(xué)這一極具潛力的研究領(lǐng)域。近年來，科研工作者根據(jù)有機(jī)半導(dǎo)體分子材料本身具有的優(yōu)異的自旋輸運(yùn)特性和光電功能特性，就如何實(shí)現(xiàn)室溫可工作自旋閥器件和器件多功能性等方面展開了大量研究并取得了一系列的顯著進(jìn)展。