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华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室工作简报2016年第3期(总第31期)

时间:2016-05-04 16:28      发布人:廖燕菲      阅读:1,055

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室工作简报2016年第3期(总第31期):发光材料与器件国家重点实验室工作简报(第31期)

摘要:

发光材料与器件国重室吴宏滨和杨中民入选2015年度“长江学者奖励计划”特聘教授

4月22日,教育部公布了2015年度“长江学者奖励计划”入选名单,华南理工大学发光材料与器件国重室吴宏滨和杨中民获聘为特聘教授。至此,发光材料与器件国重室共有“长江学者奖励计划”特聘教授7位。

吴宏滨简介:吴宏滨,男,发光材料与器件国家重点实验室教授、博士生导师,长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、科技部科技创新领军人才、万人计划青年拔尖人才。长期从事有机/聚合物光电材料与器件的研究,在有机电致发光器件、太阳电池以及光探测器件等研究领域方面取得了一系列成果。发表学术论文170余篇, 论文他引5200余次。曾获得广东省科学技术奖一等奖(2008), 教育部优秀成果奖一等奖(2014),及2015年国家自然科学奖二等奖。

杨中民简介:杨中民,男,发光材料与器件国家重点实验室教授、博士生导师,长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者,广东省珠江学者特聘教授,科技部十二五”863″计划主题专家。长期从事新型有源光纤材料及器件研究,在发光机理研究、光纤材料制备工艺和窄线宽光纤激光器等方面取得了系列创新成果。发表SCI收录学术论文140多篇,申请专利80多项。获国家技术发明二等奖2项(1项排名第一,1项第三)、广东省科学技术奖一等奖、教育部技术发明奖一等奖等国家和部委级奖励。

发光材料与器件国重室秦安军教授团队荣获广东省自然科学基金研究团队

3月27日,2016年度广东省自然科学基金项目评审结果公示,发光材料与器件国家重点实验室以秦安军教授为协调人的科研团队获得的广东省自然科学基金研究团队。

荣获广东省自然科学基金研究团队的项目名称为“聚集诱导发光材料与应用”。团队长期从事聚集诱导发光(AIE)相关研究,在AIE材料的设计与制备、构效关系的理解、AIE机理的阐述、AIE材料的应用等方面均取得了多项原创性成果。近五年,团队成员在相关领域获得国家、部省级课题20多项,发表SCI期刊论文370余篇,授权中、美等国发明专利20余件。团队拟在我国科学家原创和引领的聚集诱导发光(AIE)研究基础上,针对这一领域的关键科学问题,设计合成一系列具有固态发光效率高、光稳定性好、结构和功能易调等优点的新型AIE分子体系;通过调控分子的手性和控制构型,研究其自组装以及构效关系;开发AIE材料在高性能光电器件和高灵敏生物检测及成像等方面的应用。

广东省自然科学基金资助的研究团队项目,主要资助团结协作、勇于创新、优势互补的优秀科学家群体。每个研究团队有1位申报人(协调人)负责协调团队的研究工作,是团队的第一责任人。协调人年龄当年不得超过55周岁,研究团队的核心成员平均年龄应小于45周岁,资助强度为300万元/项。

实验室一研究成果入选“2015中国光学重要成果”

3月15-16日,第十一届全国激光技术与光电子学学术会议暨“2015中国光学重要成果”发布会和颁奖典礼在上海举行。发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨教授、何志才副教授课题组关于“具有高效率和高光生电压的聚合物太阳电池”研究工作(Nature Photon. 9, 174, 2015)入选了“2015中国光学重要成果”。

课题组的研究发现,器件光活性层的聚集形态及其带尾态对聚合物太阳电池的开路电压有重要影响,并且可以通过调控活性层的组分和微纳分相,实现对带尾态的控制,在此基础上实现开路电压和器件综合性能的同步提高,并实现了10%以上的能量转化效率。

据悉,中国激光杂志社举办的“中国光学重要成果”每年评选一次,旨在介绍中国光学领域的科研人员在国际著名物理学、光学期刊发表的具有重要学术、应用价值的论文,促进研究成果在国内的传播。从2005年创办以来,本活动得到了包括众多著名科学家在内的国内一流研究人员的肯定和支持,入选论文在一定程度上反映了我国光学领域当年取得的代表性成果,展示了我国光学界的科研实力。

胡蓉蓉副教授荣获广东省自然科学杰出青年基金

近日,2016年度广东省自然科学基金项目评审公布最终结果,发光材料与器件国重室胡蓉蓉副教授榜上有名。

广东省自然科学基金杰出青年基金项目于2012年启动,用于资助35周岁(含)以下具有重大原始创新能力的青年人才,重点导向广东省基础研究人才发展,为广东省推动战略性新兴产业提供人才储备。

胡蓉蓉简介:胡蓉蓉,31岁,副教授。2016年入选中国科协首批“青年人才托举工程”。主要从事炔烃多组分聚合反应与新型发光材料研究,已在Chemical Society Reviews, Macromolecules, Chemical Communications等期刊发表SCI论文70余篇,共被他人引用1400余次,第一作者论文中含3篇ESI高被引论文。

邱建荣教授负责的一课程入选教育部精品视频公开课程

2月底,教育部公布第八批“精品视频公开课”名单,发光材料与器件国重室邱建荣教授等人负责的“材料科学与工程导论”课程入选。

“材料科学与工程导论”课程为华南理工大学与西北工业大学共建课程,课程以讲授航空航天特色材料与工艺的基本概念和相关前沿研究热点与进展为特色,并由多位“千人计划”特聘教授、长江学者、国家杰出基金获得者担任主讲教师。

教育部精品视频公开课自2012年启动,经过5年建设共有992门精品视频公开课陆续在“爱课程”网及其合作网站中国网络电视台、“网易”正式上线。

实验室硕士研究生彭文财同学荣获24届国际玻璃大会The Best Poster Award

4月8日-11日,由国际玻璃协会和中国硅酸盐学会主办的第24届国际玻璃大会在上海国际会议中心开幕。来自33个国家的800多名代表参加本届大会。德国马普光学所所长、光子晶体光纤之父Russell教授,俄罗斯科学院院士、铋掺杂光纤激光器发明人Dianov教授,中科院院士干福熹教授等国内外著名学者和企业界人士作了精彩的大会报告。报告议题覆盖玻璃结构与理论模拟、玻璃化转变与弛豫、玻璃性能测试与表征、功能玻璃、晶化与分相、非氧化物玻璃、玻璃纤维、玻璃光纤、溶胶凝胶、玻璃薄膜与镀膜、玻璃考古等专题。

发光材料与器件国家重点实验室功能玻璃团队20多位成员参加了本次会议的。彭明营教授、周时凤教授等应邀作了邀请报告,董国平教授等应邀主持了大会专题讲座和分会。团队的研究生加入了大会志愿者队伍,负责注册和分会的运营,为本次大会的顺利召开做出了重要贡献,展示了中国年轻一代的朝气和风采。团队的多位研究生在大会上宣读了口头报告或张贴了报告,充分展示了团队的学术成果。其中硕士研究生彭文财同学(指导教师:邱建荣教授)的张贴报告“Enhanced upconversion emission in crystallization controllable glass–ceramic fiber containing Yb3+-Er3+ doped CaF2 nanocrystals”受到高度评价,在103个张贴报告中脱颖而出,获得了大会颁发的国内唯一(大会总共3个)的The Best Poster Award,并获得了500欧元的奖金。

发光材料与器件国家重点实验室接待国内外高校专家和领导考察

2月27日,大连理工大学的蹇锡高院士、北京钢铁研究总院的李卫院士和四川大学的王玉忠院士参观访问发光材料与器件国家重点实验室,几位院士对实验室的研究工作给予了高度评价。

3月11日,新加坡南洋理工大学校长安博迪一行,参观访问了发光材料与器件国家重点实验室。

4月18日上午,国家教育行政学院教育制度创新研究中心主任赵宏强带领国家教育行政学院第47期高校中青班一行40多人参观考察了发光材料与器件国家重点实验室。

国内外高校的专家和领导来访,增进了了解,促进了交流,为今后进一步合作打下了良好基础。

发光材料与器件国家重点实验室主要研究进展介绍

  1. 面向高功率效率、高稳定性 RGB OLED器件应用的高三重态能级 电子传输/空穴阻挡材料朱旭辉课题组)

通常,在OLED器件中,相对于电子注入与传输,空穴注入与传输占主导地位。因而,发展高三重态能级空穴阻挡材料具有重要意义。一方面,通过限制空穴传输,增加电子与空穴在发光层中复合几率;另一方面,高三重态能级有利于使用高效率磷光或TADF材料。

当前,应用于高效率OLED器件的空穴阻挡材料,已有大量报道,但对于器件稳定性研究较少。利用BAlq (aluminum(III)bis(2-methyl-8-quninolinato)(4-phenylphenolate)),可获得高稳定性绿光、红光磷光器件;不过,其较高的HOMO能级(−5.9 eV)以及较低的三重态能级(~2.18 eV),不利于获得高效率绿光磷光器件。

近期,在彭俊彪教授研究组合作支持下,发光材料与器件国家重点实验室朱旭辉教授课题组,在已取得成果“通用型有机小分子OPV阴极界面材料Phen-NaDPO”的基础上,[1]研发了“多功能”空穴阻挡材料Phen-m– PhDPO(图1),有望获得高功率效率、高稳定三基色 pin OLED器件。

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Phen-m-PhDPO具备诸多优点:易合成提纯,高三重态能级(~2.67 eV),深HOMO (−6.39 eV)、LUMO(~−2.9 eV),以及高Tg(94 oC)。

初步结果:相比于常用空穴阻挡材料TPBi,在天蓝光荧光、绿光及红光磷光OLED器件中,Phen-m-PhDPO获得了更高的功率效率,分别为8.9、41、10.1 lm/W @ ca. 1000 cd m−2 vs. 6.2、32.0、7.76 lm/W @ ca. 1000 cd m−2(TPBi) (表1)。在恒电流驱动下,天蓝光器件t80约为168 h @起始亮度1000 cd m−2;绿光器件t50约为40 h @起始亮度10000 cd m−2 (图2)。虽然红光器件,在起始亮度为5000 cd m−2t50约为几个小时,但我们相信,通过选择合适的红光磷光材料以及优化器件结构,提高器件稳定性。

值得指出的是,高功率效率、高稳定性OLED器件,是基于Phen-m-PhDPO较低的电子迁移率(μe ≈ 6.34 × 10−8−1.58× 10−6 cm2 V−1s−1 at E = 2−5 × 105 V cm−1),可能与其具有较深的LUMO以及Phen-m-PhDPO/n-doped电子注入层(Bphen:Cs2CO3)的界面相互作用有关。相比之下,TPBi具有较高的电子迁移率μe ≈ 9.1 × 10−7−1.2× 10−5 cm2 V−1s−1 at E = 2−5 × 105 V cm−1

此外,发光层主体材料对于器件稳定性至关重要。譬如采用Phen-m-PhDPO自身作为主体材料的绿光磷光器件,虽然获得高发光效率,但在起始亮度为10000 cd m−2时,t50不足两小时(图3),主要是由于在器件工作中,发光层内的空穴注入受限。

常用发光层主体材料CBP(4,4´-bis(carbazol-9-yl)biphenyl),在通常的磷光器件中,显示出良好的稳定性(Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 162.),但似乎不适合于pin OLED器件。台湾Nichem Fine Technology Co. Ltd.的产品GH054,作为绿光磷光主体材料,则表现出明显优势:39.7 vs. 20.5(CBP) lm W−1 @ ca. 1000 cd m−2t50约为75.7 vs. 3.3 h(CBP) @ 5000 cd m−2 (图4)。为此,我们发展高性能电致发光层主体材料。[2]

本项工作发表在Adv. Electron. Mater. 2016, DOI:10.1002/aelm.201600101[3]

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    pin OLED器件结构,并与常用空穴阻挡材料TPBi比较:

  • 天蓝光荧光器件: ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100 nm, 4%)/NPB(20 nm)/MADN:DSA-Ph(30 nm, 7%)/HBL(10 nm)/Bphen:Cs2CO3(20 nm, 50%)/Al(200 nm)
  • 绿光磷光器件: ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100 nm, 4%)/NPB(15 nm)/TCTA(5 nm)/Host:Ir(ppy)3 (30 nm, 9%)/HBL(10 nm)/Bphen:Cs2CO3(20 nm,50%)/Al(200 nm). Host = Bepp2, Phen-m– PhDPO and TPBi
  • 红光磷光器件: ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100 nm, 4%)/NPB(20 nm)/Bebq2:Ir(MDQ)2(acac)(40 nm, 5%)/HBL(10 nm)/Bphen:Cs2CO3(20 nm, 50%)/Al(200 nm)

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2 OLED稳定性测试。(a)天蓝光荧光器件(ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100 nm, 4%)/NPB(20 nm)/MADN:DSA-Ph(30 nm, 7%)/HBL(10 nm)/Bphen:Cs2CO3(20 nm, 50%)/Al(200 nm));(b)绿光磷光器件(ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100 nm, 4%)/NPB(15 nm)/TCTA(5 nm)/Bepp2:Ir(ppy)3(30 nm, 9%)/HBL(10 nm)/Bphen: Cs2CO3(20 nm,50%)/Al(200 nm))。对于天蓝光荧光、绿光磷光器件,驱动电流分别为8.9、111.6 mA cm−2;对应初始亮度分别约为1000、10000 cd m−2

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3 发光层主体材料对于OLED器件稳定性的影响。OLED结构: ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100 nm, 4%)/NPB(15 nm)/TCTA(5 nm)/Host:Ir(ppy)3(30 nm, 9%)/HBL(10nm)/Bphen:Cs2CO3(20 nm, 50%)/Al(200 nm). Host/HBL = Phen-m-PhDPO/Phen-m-PhDPO (Device I), TPBi/Phen-m– PhDPO (Device II) and TPBi/TPBi (Device III)

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4 CBP、GH054作为主体材料对于OLED器件稳定性的影响。OLED结构: ITO/MeO-TPD: F4-TCNQ(100 nm, 4%)/TAPC(20 nm)/Host:Ir(ppy)3(30 nm, 9%)/Phen-m-PhDPO(10nm)/Bphen: Cs2CO3(20 nm, 50%)/Al(200 nm). Host = CBP and GH054

   2、基于自掺杂n-型阴极界面材料的高效叠层有机太阳电池(叶轩立课题组)

有机/聚合物太阳能电池是一类以有机半导体材料为光活性层的光电转换装置。由于有机半导体材料自身的柔性特质和溶液加工特性,可通过溶液加工方式制备大面积、低成本、柔性太阳能电池。在移动电子设备、车载半透明玻璃窗、建筑物一体化等领域都有着巨大的应用潜力。然而由于有机太阳电池光活性层材料只能吸收能量高于材料自身带隙的光子,这使得能量低于光活性层材料带隙的光子将直接“穿”过光活性层而不会产生光电流,最终造成太阳能的损失;此外,即使光活性层吸收高能光子后将基态电子激发到高激发态,但由于热能化损失作用,同样也会造成太阳能的损失。因此,对于单层结构的有机太阳电池器件来说,由于这些能量损失的存在,限制了其效率的进一步提高。相比于单层电池,叠层电池既能利用高能量光子减少热能化损失,又能利用低能量光子增加光谱利用率。理论预测表明叠层器件的最高效率可以突破15%,因此更有潜力获得高能量转换效率,满足商业化应用要求。通常来说,中间连接层的构筑是叠层器件效率得以提升的关键。然而目前文献报道的中间连接层主要包括:基于无机半导体(Inorganic Semiconductor,IS)和超薄金属(Metal,M)的IS/M/IS中间连接层或基于无机半导体和有机半导体(Organic Semiconductor,OS)的IS/OS中间连接层。由于无机半导体自身容易脆断,这类中间连接层难以实现柔性器件。此外,由于PEDOT自身的酸性会对无机半导体造成腐蚀,因此这类结构的中间连接层也不利用器件寿命的保持。

近期,叶轩立教授课题组同黄飞教授课题、彭小彬教授课题组开展合作,选用了一类具有自掺杂特性的n-型水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料PF3N-2TNDI,用于叠层有机太阳能电池的中间连接层构筑。由于PF3N-2TNDI的自掺杂特性,其可在较大厚度波动范围内实现优异的器件效率提升,因此可以构筑出具有足够厚度的中间连接层以保护下层活性层不被上层溶液溶蚀。在选配具有互补吸收的上、下层活性层材料后,成功的获得了能量转换效率高达11.35%的叠层有机太阳电池。同时还实现了效率超过10%的柔性器件以及一个月内效率衰减小于10%的高稳定器件。相关研究成果发表在Advanced Materials [DOI:10.1002/adma.201506270]

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3、长余辉发光材料研究取得重要进展(邱建荣课题组)

长余辉发光材料,也叫蓄光材料,能够在外场作用停止后持续发光几分钟甚至几天,是一种具有延迟发光效应的发光材料。迄今为止,长余辉发光材料已经被广泛应用在应急照明、显示及装饰等领域。近年来作为生物成像材料,由于其具有成像时无需再激发,可实现大面积高信噪比的成像,引起了普遍关注。但是发光机理方面还有不少悬而未决的问题需要解决,另外在高性能长余辉材料特别时生物透明窗口的长余辉材料的设计开发尚处在起步阶段。

发光材料与器件国家重点实验室的李杨博士(合作导师:邱建荣)近年来开展了系统的新型长余辉材料的设计和合成研究。首次实现了Mn4+和Bi2+等全新离子掺杂的生物透明窗口的长余辉发光材料。提出了通过配位场调控实现了Cr3+掺杂的锡酸盐材料的长余辉激发和发射波长的大范围调控。研究成果发表在NPG Asia Materials 上。

生物第二窗口(1050-1350纳米)具有比生物第一窗口更强的近红外光渗透性,可以提高生物光学成像的信噪比和灵敏度。他们从基质晶体结构、配位构型及局部微化学特征、活性离子能级特性以及传能机制出发,通过杂化配位网络打通了原本断裂的能量传递通道,实现了Cr3+和Nd3+共掺ZnGa2O4尖晶石的生物第二窗口的长余辉发光。固态核磁共振研究表明,这种现象源于Cr3+-Ga3+离子对、Nd3+-Ca2+离子对的晶格匹配以及Nd3+-Zn2+离子对的晶格失配。通过实现Zn1-xCaxGa2O4固溶体,使原本彼此独立的两种配位网络相互渗透,改变了Cr3+和Nd3+离子附近的晶格畸变方式,从而实现了Cr3+-Nd3+离子间能量传递,获得Nd3+的1064纳米的近红外长余辉。该研究为新型长余辉材料的设计提供了研究思路。该研究成果发表在Scientific Reports [6,20275,(2016)]上。

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Cr3+-Ga3+离子对、Nd3+-Ca2+离子对的晶格匹配以及Nd3+-Zn2+离子对的晶格失配;

Zn1-xCaxGa2O4固溶体,使原本彼此独立的两种配位网络相互渗透,改变了Cr3+Nd3+离子附近的晶格畸变方式。

研究团队在长余辉发光材料方面的系列成果产生了一定的影响,应邀在国际长余辉以及光激励发光材料讨论会上作了大会报告。另外他们应邀在Chemical Society Reviews撰写了一篇综述[DOI:10.1039/C5CS00582E,(2016)]。从长余辉材料的制备方法、余辉机理、表征技术、材料种类及应用领域等方面进行了全面论述,对未来发展方向进行了展望。

4、局域相变显著改变玻璃表面特性(周时凤研究组)

玻璃是光纤通讯、激光和显示等重大应用领域的关键基础材料。玻璃界面和表面性质与很多重要工艺过程密切相关:玻璃衬底表面性质直接影响所沉积活性层薄膜的性能,玻璃光纤端面性质决定异质光纤熔接的光损耗和可靠性。但是,在非晶态物理研究领域,玻璃表面结构和性质是被忽略的一个重要科学问题。

近期,邱建荣教授团队周时凤教授研究组开展了基于玻璃亚稳态-稳态转变进行结构重构的专题研究,发现玻璃局域晶化相变可以显著改变玻璃表面特性。他们研究了玻璃、局域晶化玻璃和单晶衬底上氧化银薄膜的结晶过程:非晶态玻璃表面和晶态单晶表面薄膜生长都表现出传统的岛状生长模式,而在局域晶化玻璃表面则为完全不同的自组装二次生长模式。研究进一步利用该种新型表面控制材料结晶动力学,成功制备了超结构银膜,痕量光探测结果表明其具有高灵敏响应特性。另外,他们还发现通过控制局域晶化可显著提高玻璃的光吸收和发射性能。研究进展为传统玻璃功能化和新型玻璃开发提供了重要思路。相关研究结果发表在NPG Asia Materials [20168, e245];Opt. Mater. Express [20166, 531],被Materials Today(今日材料)、ACerS(美国陶瓷协会)、Reuters(英国路透社)、OSA(美国光学协会)、Discovery(探索频道)、AAAS(美国科学促进会)等知名科技媒体作为亮点报道。

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发生局域晶化相变的玻璃具有全新界面特性,与传统玻璃和晶体相比其表面的材料生长表现出完全不同动力学过程

3-4月份境内外学者来发光国重室访问交流情况

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