1. 有机光电材料的设计、合成、性质及其器件应用研究

有机光电材料是指具有较大p共轭体系的有机小分子化合物和共轭聚合物,具有特殊的光、电、磁等性能,是有机场效应管、有机发光二极管、有机太阳能电池、有机储存器和有机传感器等有机光电器件赖以工作的核心活性物质。相比无机材料,有机材料普遍具有质轻性柔、结构多样、可设计合成、可溶液加工等特征,非常适合制备大面积和柔性的器件,是未来柔性电子学和可穿戴电子器件的关键材料基础。但是,有机光电器件的综合性能还远落后于无机同类器件,学科领域还存在诸多的以待解决的科学问题和技术难题,包括高性能材料的缺乏、材料结构性能间关系不明、活性层微观结构的调控技术、大面积器件的制备技术、以及材料和器件的稳定性等。课题组将充分发挥有机所合成化学和合成方法学的优势,致力于设计开发高性能的有机光电材料体系(目前主要为有机光伏材料),研究材料的结构性能关系,同时也关注器件活性层微观结构的调控技术以及器件的制备技术。具体的研究内容包括:

(1) 新有机光电基元的设计开发;

有机光电基元是构筑有机光电材料的最基本砖瓦,是开发新材料的重要途径。有机所有很强的合成化学背景,应该在这方面充分发挥自己的特长。比如,我们最近一项工作基于常见的4,7-二噻吩苯并噻二唑,将两翼的噻吩基元与中间的苯并噻二唑基元稠合在一起,形成一类新的光电基元,并由此设计合成了一类新的给受体交替的共轭聚合物,提高了光伏性能 (Macromolecules 2013, 46, 7920–7931.)

 

(2) 材料新概念的拓展;

注重不拘泥于现在的材料体系,欢迎提出材料新概念、新体系的奇思妙想。比如,最近我们针对有机光伏给体材料基本上可分为共轭聚合物和小分子化合物两大种类,但各有自己的优缺点,提出介于两者之间的多节棍型聚合物光伏材料的概念,期望能综合原有两大材料的优点,而避免各自的缺点 (Chem. Commun. 2014, 50, 7720‒7722.)。

 

(3) 高性能材料体系及其结构性能关系的研究;

注重开发高性能的有机光电材料体系,并且注重它们结构性能间的关系研究。比如,我们最近一工作发现,调换两个光电基元的相对顺序,对其性能影响巨大(J. Mater. Chem. A 2014, 2, 1539615405.)。

 

(4) 器件活性层结构调控的新策略和新技术。

有机光电材料的凝聚态结构对其器件性能影响巨大。特别是有机太阳能电池器件,活性层是有两种给体和受体材料两种材料共混而成。这两种材料分子在活性层中是如何组织、如何堆积,是决定其器件性能的重要因素之一。目前这方面,虽有一些研究,但还远远不够。我们也尝试做了一些工作,比如提出利用分子的两亲性来调控分子在凝聚态中堆积的方式,从而达到提高其光电性能的目的(Chem. Asian J. 2010, 5, 1566–1572.)。

 

2. 碳纳米材料的制备、改性及其应用研究

碳是自然界最奇妙的元素,其单质的存在形式揽括了物质世界的维度空间,从零维的富勒烯家族,到一维的碳纳米管、二维的石墨烯、以及三维的石墨和金刚石。这些碳单质不但形态各异,而且性能相差迥异。比如,金刚石是世界上最硬的物质,但不导电;石墨是最软的物质之一,但是是电的良导体;富勒烯是半导体;纳米碳管则有金属性和半导体性两种;石墨烯具备极好导电性能。由于其结构的特殊、性能的优异和用途的广泛,碳单质家族已有两种物质(富勒烯和石墨烯)的发现,获得了诺贝尔奖。

目前我们这方面的研究主要集中在石墨烯方面。石墨烯是一种具有单原子层厚的二维的碳单质结构,具有很多超优的性能,比如极高电导率、双极性载流子迁移特性、极高的载流子迁移率、最好的导热性能、极高的力学性能,在电子信息、能源存储、化学催化、生物医药领域存在着不可估量的应用前景。我们课题组主要致力于以化学的策略,开发制备石墨烯材料的新方法、修饰石墨烯材料的性能,并争取在透明导电膜、超级电容器以及锂离子电池等的获得实际应用。我们已有的工作展示如下:

n 树枝化策略在石墨烯的增溶和制备中应用(J. Mater. Chem. 2012, 22, 30823087;中国发明专利:201010204299.4

 

n 以氧化石墨烯为原料,通过氟化试剂溶液法制备氟化石墨烯(J. Mater. Chem. A 2014, 2, 8782–8789;中国发明专利申请:201310222358.4

 

n 石墨烯基透明导电膜的研制(中国发明专利申请:201210153595.5PCT申请:PCT/CN2013/075673