高被引學者都在研究些什么領域？黃維院士、唐本忠院士、曹鏞院士團隊紀實

黃維：

中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太材料科學院院士、東盟工程與技術科學院外籍院士、巴基斯坦科學院院士；中國有機電子學與柔性電子學的主要奠基者，西北工業大學常務副校長、博士生導師，中國教育部“長江學者”特聘教授，國家“973計劃”項目首席科學家。

研究領域：

從事聚合物發光二極管顯示研究并長期活躍在有機光電子學、柔性電子學領域。在構建有機光電子學科的理論體系框架、實現有機半導體的高性能化與多功能化、推進科技成果轉化與戰略性新興產業方面做了大量富有開拓性、創新性和系統性的研究工作。在Nature、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等SCI主流學術期刊發表研究論文700余篇，國際同行引用逾4萬余次。是材料科學和化學學科全球高被引學者。

承擔項目&成果獎勵：

2019年，“金屬有機半導體的結構設計、性能調控與光電應用”項目榮獲國家自然科學獎二等獎。

2016年，基于“高效鈣鈦礦發光器件研究”項目入選2016年度“中國高等學校十大科技進展”。

2014年，獲何梁何利基金“科學與技術進步獎”。

2014年，“有機半導體的設計原理、高效制備與光電器件”項目獲國家自然科學獎二等獎。

等等

2019年部分研究進展：

1?控制三重態生色團堆積在晶體中實現超長有機磷光｜Angew.

分子組裝技術是制備超長有機磷光(UOP)材料的重要手段，但由于影響UOP材料性能的因素很多，其機理尚不清楚。黃維院士團隊提供了一些更深層次的理解，從結構組的角度，三重色團之間的堆疊確實在晶體的UOP生成中起著關鍵作用。通過調整氯原子的取代位置，發現在這些異構體中存在有趣的UOP轉換開關行為。值得注意的是，咔唑分子間偶聯最強的24CPhCz的UOP最顯著，其長壽命為1.06 s，磷光量子產率為2.5%。34CPhCz顯示UOP（中度降低了770 ms的磷光壽命）和TADF雙發射，35CPhCz只顯示TADF，結合X射線單晶分析和理論計算，作者提出分子間偶聯在UOP和TADF發射的兩個競爭過程中起關鍵作用。研究將為解釋晶體中的UOP生成提供一個清晰的認識，并為獲得UOP材料提供新的指導。相關研究以“Manipulating the Triplet Chromophore Stacking for Ultralong Organic Phosphorescence in Crystal”為題目發表在Angew.上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/ange.201907572

圖1?芳香族酰胺衍生物的光物理性質

2?顏色可調的超長有機磷光體｜Nature?Photonics

在可見光譜中顯示長壽命、持久發光的材料在顯示、信息加密和生物成像領域的應用非常有用。黃維院士與南京工業大學安眾福教授所帶領的團隊與新加坡國立大學劉小鋼教授課題組合作報告了在單一有機分子晶體中，通過巧妙的分子結構和晶體堆積設計，構筑單分子態和聚集態的動態多彩長余輝發光新材料。發射顏色可以通過改變激發波長來調整，允許從紫色到可見光譜的綠色部分的動態顏色調整。實驗數據表明，這類材料的超長壽命為2.45 s，最大磷光效率為31.2%。此外，還演示了顏色可調的UOP材料在300 – 360nm范圍內的多色顯示和紫外視覺傳感中的應用。為開發動態控制磷光的智能發光材料和傳感器提供了新思路。

相關研究以“Colour-tunable ultra-long organic phosphorescence of a single-component molecular crystal”為題目發表在Nature?Photonics上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41566-019-0408-4

圖2?顏色可調UOP操作示意圖

3?高性能鈣鈦礦發光二極管的合理分子鈍化｜Nature Photonics

對于溶液處理的鈣鈦礦光電器件，例如發光二極管，其主要的效率限制是陷阱介導的非輻射損耗。利用有機分子進行缺陷鈍化已被認為是解決這一問題的一種有吸引力的方法。然而，由于缺乏對分子結構如何影響鈍化效果的深入了解，這種方法的實施受到了阻礙。黃維院士與北航劉利民課題組與瑞典林雪平大學高峰研究組等合作在鈣鈦礦發光二極管（LED）領域取得重大突破，實現了達到21.6%的高效鈣鈦礦LED器件。結果表明，目前普遍忽略的氫鍵在鈍化過程中起著關鍵作用。通過弱化鈍化功能基團和鈣鈦礦中的有機陽離子之間的氫鍵，顯著增強了與缺陷位點的相互作用，并將非輻射復合損失降到最低。此外，鈍化鈣鈦礦發光二極管在200 mA cm^?2的高電流密度下保持了20.1%的高外部量子效率和11.0%的壁插效率，這使得它們在高激勵下比最有效的有機和量子點發光二極管更具吸引力。相關研究以“Rational molecular passivation for high performance perovskite light-emitting diodes”為題目，發表在Nature Photonics上。

文獻鏈接：DOI:?10.1038/s41566-019-0390-x

圖3?PeLED構建、性能及鈣鈦礦薄膜特性

4?基于原子級碘化鉛晶體的界面半導體的能帶結構工程｜AM

作為發現新的物理現象和設計基于界面的器件的新功能的獨特平臺，探索二維材料的新成分并使其在范德華異質結構中發揮最大的作用是很有必要的。在此，黃維院士、南京工業大學王琳教授課題組通過溶液法合成了不同原子級厚度的PbI₂納米片，并將其與TMDs二維材料結合起來構建異質結，由幾個過渡金屬雙鹵代烷單分子層組裝而成的。作為基于PbI₂的界面半導體帶工程的一個典型例子，理論與實驗分析證明：MoS₂與PbI₂之間的能級排列屬于跨立型（Type-I）半導體異質結，即PbI₂中的激發態能量向MoS₂層傳遞，使MoS₂發光增強，而WS₂和WSe₂分別與PbI₂之間形成了錯開型（Type-II）半導體異質結，即WS(Se)₂中的電子流向PbI₂層，電子-空穴對密度減少，引起發光淬滅。這表明超薄PbI₂可以通過界面能帶工程，與其他二維材料構筑不同類型的異質結，從而可以極大地拓寬了功能型材料的選擇范圍，促進新型微納光電器件研發與應用進程。相關研究以“Band Structure Engineering of Interfacial Semiconductors?Based on Atomically Thin Lead Iodide Crystals”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.201806562

圖4??碘化鉛納米片的制備與性質

唐本忠：

中國科學院院士，英國皇家化學學會會士，香港科技大學教授，博士生導師，華南理工大學-香港科技大學聯合研究院院長，科技部973計劃項目首席科學家。國家自然科學基金基礎科學研究中心項目負責人。

研究領域：

主要從事高分子合成方法論的探索、先進功能材料的開發以及聚集誘導發光（AIE）現象的研究。在AIE這一化學和材料前沿領域取得了原創性和引領性的研究成果。作為一類新的、重要的光物理現象和概念，自報道首篇AIE工作以來，已有60余個國家和地區數1100多個研究團隊跟進此工作。唐本忠教授累計發表學術論文約1000篇，引用8萬余次。

承擔項目&成果獎勵：

2014-2017年連續入選湯森路透化學和材料雙領域高被引用科學家。

2017年，“聚集誘導發光”項目獲國家自然科學一等獎。

2017年，獲南何梁何利科學與技術進步獎。

2014年，獲第27屆夸瑞茲密國際科學獎。

2007年，“新型光電功能分子材料與相關器件”項目獲國家自然科學二等獎

等等

2019年部分研究進展：

1 分子激發態運動誘導高效光熱納米材料｜Nature?Communications

雖然一些迷人的概念，如分子馬達和分子機器已經提出多年，分子內運動的應用仍然是有限的，是迫切的追求。在鈉米平臺中利用分子運動進行實際應用的研究，目前還很少，因為在納米顆粒中如何實現有效的聚集態分子運動是一些不可克服的挑戰。香港科大唐本忠教授課題組與南開大學丁丹教授合作介紹了一類近紅外吸收有機分子，它們具有分子內運動誘導的光熱納米粒子，可以使大部分吸收的光能以熱的形式消散。與廣泛使用的亞甲基藍和半導體聚合物納米顆粒相比，納米顆粒的這種特性使其成為一種優越的光聲造影劑，并使它們能夠對活小鼠的腫瘤進行高對比度的光聲成像。本研究不僅為開發先進的光熱/光聲成像納米材料提供了一種策略，而且為分子在納米平臺上的運動提供了實際應用的途徑。相關研究以“Highly efficient photothermal nanoagent achieved by harvesting energy via excited-state intramolecular motion within nanoparticles”為題目，發表在Nature?Communications上。

文獻鏈接：DOI：10.1038/s41467-019-08722-z

圖1?NPs的制備和表征

2 分子聚集調控分子內電荷轉移態以促進光熱診療｜JACS

二維給體和受體(D?A)共軛結構通常被認為是構建高效光熱診療試劑的標準，以限制聚合物的分子內運動。然而，其他額外的非輻射衰變通道可能被阻塞。香港科技大學唐本忠院士團隊與南開大學史林啟教授團隊、丁丹教授團隊合作提出一種基于聚合體中分子運動的策略來解決這一挑戰。分子轉子和龐大的烷基鏈接在中心D – A核上，以降低分子間的相互作用。增強的分子運動有利于形成扭曲的分子內電荷轉移態，其非輻射衰變增強了光熱性質。結果表明，具有長鏈烷基的小分子NIRb14比短支鏈NIRb6表現出更強的光熱性能，體外和體內實驗均表明，NIRb14納米顆粒可作為光聲成像光熱治療的納米材料。相關研究以“Molecular Motion in Aggregates: Manipulating TICT for Boosting Photothermal Theranostics”為題目，發表在JACS上。

文獻鏈接：DOI：10.1021/jacs.8b13889

圖2?NIRb14, NIRb10, NIRb6, 及?NIR6的光聲成像與光熱治療

3 通過碳-硫鍵活化將硫醚污染物轉化為有機半導體材料｜Angew.

將有機廢物轉化為有價值的物質是人類社會可持續發展的目標。其中，城市地表徑流中重要的有機廢棄物2-甲硫基-苯并噻唑(MTBT)?在對杜氏藻的試驗中已被證明具有急性和慢性毒性作用。最近，中科院真空物理重點實驗室黃輝教授課題組聯合唐本忠院士通過碳-硫鍵催化活化，將有機廢物MTBT成功轉化為一系列有機半導體材料，通過對不同芳香基團和反應官能團(錫和硼)的底物的高效轉化，證明了這種新型二芳基化反應的普遍性Liebeskind-Srogl偶聯反應。有機半導體在場效應晶體管和細胞成像方面表現出優異的性能。這一貢獻為有機廢物轉化為有價值的材料提供了一個極好的例子，并可能開辟利用廣泛存在的芳香硫醚的新途徑。相關研究以“Efficiently Converting Thioether Waste to Organic Semiconductors by Carbon-Sulfur Bond Activation”為題目，發表在Angew.上。

文獻鏈接：DOI:10.1002/anie.201901274

圖3?MTBT與錫基底物反應

4 一種新的四苯乙烯衍生物的多刺激反應及多態性｜AFM

合成了多響應熒光分子四苯乙烯(TPE)衍生物1。它表現出一種典型的聚集誘導發射行為，也表現出對pH變化和胺蒸氣的熒光響應，以及多色的機械變色性能。1的發射可以通過溶劑熏蒸、加熱或研磨形成高反差的藍色(1p-f,?462nm,Φf = 7.4%),亮青色(1p-h,?482nm,Φf = 82.3%),和黃色(1p-g,?496nm,Φf = 10.5%)并且可逆地切換。分子1在不同溶劑中結晶得到多種結晶狀態。多色的機械色性與晶體中分子間的相互作用和堆積方式有關。弱熒光發射的晶體具有獨特的多孔結構和相應的強x射線衍射峰，而強熒光發射的晶體中沒有這種結構。多孔結構是分子熒光強度的關鍵。加熱后，晶體的多孔結構被破壞，熒光明顯增強。相關研究以“Multistimuli Response and Polymorphism of a Novel Tetraphenylethylene Derivative”為題目，發表在AFM上。

文獻鏈接：DOI：10.1002/adfm.201900516

圖4?化合物1和2的分子結構和合成路線

曹鏞:

中國科學院院士、發展中國家科學院院士，英皇家化學會會士、華南理工大學教授、博士生導師，有機光電領域世界著名的科學家，也是我國有機光電領域最早的倡導者之一。

研究領域：

主要從事導電聚合物的結構與性能關系及發光材料與器件研究，例如驅動基板、發光器件集成等等。提出“對陰離子誘導加工性”的新概念，解決了導電高分子的高導電性與加工性不能同時并存的難題；首次成功地研制出可彎曲的大面積塑料片基發光二極管；在國際上首次表明在聚合物電致發光二極管中電熒光量子效率有可能25%的量子統計規則，推動了聚合物電致發光二極管的發展。在Nature、Nature Photonics、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等SCI主流學術期刊發表研究論文500余篇。

承擔項目&成果獎勵：

2015年，“實現高效率有機太陽電池的新型聚合物材料及器件結構”項目獲國家自然科學二等獎。

2012年，單結聚合物異質結倒置結構太陽電池能量轉換效率達到世界最好水平9.214%，該成果入選2012年度“中國科學十大進展”。

2011年，“新型高分子光電功能材料及發光器件”獲國家自然科學二等獎。

2010年，“新型高分子光電功能材料及發光器件”項目獲國家自然科學二等獎。

等

2019年部分研究進展：

1?全聚合物太陽能電池通用的綠色溶劑，提高功率轉換效率到11%｜EES

有機光伏技術的進步一直與對本體異質結(BHJ)微觀結構形態的深入理解緊密相關，這通常是由基于單一溶劑或溶劑混合物的噴涂配方控制的。全聚合物太陽能電池(all-polymer solar cells, all-PSCs)進展相對緩慢，主要是由于其復雜的BHJ形態難以掌握，難以處理聚合物鏈的糾纏，其性能一般限制在8-10%。在這項工作中，華南理工大學曹鏞院士、應磊、黃飛教授等人證明了通過使用基于環戊基甲基醚的綠色溶劑體系對BHJ形態進行操作，all-PSCs 的性能可以進一步發展到基準值11%。優越的墨水配方在四種不同的全聚合物太陽能電池上的通用適用性得到了成功的驗證，顯示了將all-PSCs推向工業生產和商業化的巨大前景。相關研究以“t concept boosting the power conversion efficiency of all-polymer solar cells to 11%”為題目，發表在EES上。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/c8ee02863j

圖1?PTzBI-Si、N2200、2-MeTHF、THF和CPME的分子結構及光譜性質

2效率超過5%的準二維藍色鈣鈦礦發光二極管的復合區位置調制｜Nature Communications

近年來，鈣鈦礦發光二極管的近紅外、紅、綠三色發射和20%以上的外部量子效率的研究取得了實質性進展。然而，藍發射的鈣鈦礦發光二極管的發展仍然是一個巨大的挑戰，它阻礙了基于鈣鈦礦發射材料的全彩顯示器和白光照明的進一步發展。在此，曹鏞院士團隊首先通過成分和尺寸工程，利用阱密度降低和光致發光量子產率提高的優勢，制備了藍發射增強的準二維鈣鈦礦薄膜。其次，發現在PEDOT:PSS/鈣鈦礦雜化膜中鈣鈦礦晶體的垂直非均勻分布。通過調節復合帶的位置，激活大部分準2D鈣鈦礦晶體,從而證明是迄今最有效的藍色鈣鈦礦發光二極管，發射峰在480 nm,亮度3780 cd m^?2,外部量子效率為5.7%。相關研究以“Modulation of recombination zone position for quasi-two-dimensional blue perovskite light-emitting diodes with efficiency exceeding 5%”為題目，發表在Nature Communications上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41467-019-09011-5

圖2?高效藍發射鈣鈦礦的合成工程

3?水溶性共軛聚電解質的高效光催化析氫｜Nano Energy

近年來，用于光催化的有機半導體受到了廣泛的關注。然而，開發高效光催化析氫的有機光催化劑是一個巨大的挑戰。在此，華南理工大學黃飛教授、曹鏞院士團隊展示了一系列新型共軛聚電解質的高效光催化析氫(CPEs)。通過調節它們與助催化劑的相互作用，水溶性CPEs大大提高了光催化性能，是不溶性前驅體共軛聚合物的50倍。更重要的是，這些CPEs的光催化活性可以通過調節它們之間的相互作用來優化，通過對CPEs側鏈和反離子的分子工程研究，得到了Pt共催化劑。由于陽離子CPEs與Pt共催化劑中季銨鹽側鏈間的強相互作用，陽離子CPEs的性能優于陰離子CPEs。結果表明，優化后的陽離子CPEs與Pt共催化劑的界面接觸，可以實現更高效的電荷轉移和更高的光催化活性。相關研究以“Highly efcient photocatalytic hydrogen evolution from water-soluble conjugated polyelectrolytes”為題目，發表在Nano?Energy上。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.04.027

圖3?PFN-Br、PFNBT-Br、PFNDTBT-Br、PFNDPP-Br的化學結構

(a)、紫外-可見吸收光譜(甲醇)(b)、能級圖(c)

4?效率12%以上,有序多尺度非富勒烯小分子有機太陽能電池｜AM

華南理工大學彭小彬教授、曹鏞院士團隊聯合華南師范大學Nianli、上海交通大學Liu Feng、香港城市大學的Alex K.-Y. Jen教授等人將兩個近紅外吸收分子成功地結合到非富勒烯基小分子有機太陽能電池(NFSM-OSCs)中，實現了12.08%的非常高的功率轉換效率(PCE)。這是通過混合溶劑添加劑和溶劑蒸汽退火來實現的，主要工作是分別為ZnP-TBO和6TIC調整有序演化的結晶形態。這樣不僅可以提高ZnP-TBO和6TIC共混物的結晶度，而且可以形成多尺度形貌，增強電荷遷移率和電荷萃取。同時通過有效電荷離域減少了非填充復合。結果表明，器件性能顯著提高填充因子和短路電流。這些導致了一個非常可觀的PCE，這是目前為止，NFSM-OSCs和所有的小分子二元太陽能電池最高的報道。相關研究以“Over 12% Effciency Nonfullerene All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Sequentially Evolved Multilength Scale Morphologies”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.201807842

圖4?ZnP-TBO和6TIC的結構、光譜及能級圖

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