《自然》子刊精选——有机光电前沿进展
更新日期：2016-02-261. 超快显微镜观察到并四苯晶体中单线态和三线态激子的协同传输（Cooperative singlet and triplet exciton transport in tetracene crystals visualized by ultrafast microscopy）
Nature Chemistry, 2015, 7(10), 785-792, DOI: 10.1038/nchem.2348
单线态裂分可以由一个单线态激子裂分为两个三线态激子，是一种突破Shockley-Queisser限制的潜在方法。不过，虽然三线态激子的寿命较长，但它是通过Dexter转移来传输的，这比单线态激子的Förster转移要慢很多。因此，对单线态裂分和三线态传输机理的深入认识对利用单线态裂分是非常重要的。
图来源：10.1038/nchem.2348
美国普渡大学黄立白（Libai Huang）带领研究团队利用瞬态吸收显微镜（分辨率200 fs）直接可视化观察到并四苯单晶中的激子传输过程。他们发现了一种新型的单线态媒介传输的机理，这种传输方式使得三线态激子的传输效率提高了一个数量级。这一结果证明，在单线态和三线态激子中存在一个最优能级，可以同时提高单线态裂分和激子传输的效率。
图来源：Nature Chemistry
同期评述：Energy transport: Singlet to triplet and back again, Nature Chemistry, 7, 764–765 (2015), DOI: 10.1038/nchem.2356
2. 通过抑制分子移动在室温下提高无金属有机材料的磷光效率（Suppressing molecular motions for enhanced room-temperature phosphorescence of metal-free organic materials）
Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms9947
无金属有机磷光材料被视为是有机金属磷光发射体的潜在替代品。但是，由于缺少重原子作用，使得轨道自旋耦合效率较低，因此高效的无金属有机磷光材料十分少见。美国密歇根大学Jinsang Kim研究组报道了一种通用的设计原则，可以有效降低材料的非辐射跃迁，从而大幅提高无金属有机材料的磷光效率。这种方法主要依靠抑制磷光发射体附近的分子运动来实现的，具体来说是将磷光发射体与聚合物基体通过Diels-Alder点击化学的手段交联起来。相比于磷光发射体掺杂的体系来说，这种交联体系的磷光量子效率可以提高2-5倍。
3. 纯有机电致发光材料实现100%电光转化效率（Purely organic electroluminescent material realizing 100% conversionfrom electricity to light）
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms9476
高效的有机发光二极管常包含稀有金属，如铂或铱。因此，开发原料丰富易得的有机发光材料十分迫切。日本京都大学Hironori Kaji和Chihaya Adachi等人报道了一种基于热激发延迟荧光的有机发光材料，这种材料可以同时实现接近100%的光致发光量子效率以及接近100%的三线态到单线态上转换效率。材料以二苯基氨基咔唑为电子给体，以三苯基三嗪为电子受体。接近于零的单线态-三线态带隙使得以其制备的有机发光二极管的外量子效率达到29.6%，此外通过进一步的光学优化，外量子效率可以提升到41.5%。
图来源：10.1038/ncomms9476
4. 一个用于具有分子内光稳定作用的荧光衍生物的简单通用的设计概念（A simple and versatile design concept for fluorophore derivativeswith intramolecular photostabilization）
Nature Communications, 2016, DOI: 10.1038/ncomms10144
通过三线态淬灭获得的分子内光稳定作用被认为是一种有效方法，可以给有机荧光分子以“自愈合”的性质。目前，这类荧光衍生物很少被实际应用，因为合成起来十分繁琐。荷兰格罗宁根大学Thorben Cordes研究团队报道了一种通用的方法，可以将一种有机荧光团同时与光稳定剂和生物目标分子连接起来。反应产物（光稳定剂—染料共轭分子）具有极佳的光物理特性，即高光稳定性和低信号波动。该方法可以用于标记DNA、抗体和蛋白质，也可以用于高分辨率荧光显微镜。
5. 高迁移率发光有机半导体（High mobility emissive organic semiconductor）
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms10032
制备同时具有高迁移率和高发光效率的有机半导体十分困难。不过，有机发光二极管和有机电动泵浦激光器都需要这样的半导体材料。中科院化学所胡文平研究团队报道了一种新型有机半导体材料——2,6-二苯基蒽（DPA），这种材料不仅具有高的荧光量子效率（41.2%），而且还具有极高的载流子迁移率（34 cmV-1s-1）。基于DPA的有机发光二极管可以发射纯蓝光，并且以DPA为场效应晶体管的阵列可以成功驱动DPA的有机发光二极管阵列。这一结果展现了DPA在有机光电子器件方面的应用潜力。
6. 电荷转移晶体作为分子掺杂剂（Charge-transfer crystallites as molecular electrical dopants）
Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms9560
无论共轭聚合物还是齐聚物，基态电荷转移都被认为是分子电掺杂的机理。柏林洪堡大学Ingo Salzmann研究小组发现，对这两种类型的共轭半导体来说，掺杂过程是不同的。他们对比了聚噻吩和四联噻吩齐聚物，其中聚噻吩在p型掺杂时会发生电荷转移，而转移的电荷会局限在聚合物主链中四联噻吩单元上。尽管掺杂后两者的电导率都有所提升，但是在齐聚物中只发现部分电荷转移。相比于聚合物，齐聚物与掺杂剂在1:1 混合时会呈现出强烈的分子前线轨道杂化。
7. 认识共轭聚合物的非辐射激发态（An insight into non-emissive excited states in conjugated polymers）
Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms9246
共轭聚合物在固态下常表现出低的荧光量子效率，这限制了它在很多方面的应用，如发光二极管。尽管科学家们作了大量的努力，但对于机理的认识仍十分有限并且模糊。德州大学奥斯汀分校David A. Vanden Bout研究小组通过观察聚噻吩在不同介电常数（ε）的溶剂中的聚集特性，对聚噻吩的激发态的性质进行了研究。在高极性溶剂中（ε＞3），聚合物的荧光量子效率较低，为2-5%；在低极性溶剂中（ε＜3），聚合物表现出高得多的荧光量子效率，达到20-30%。一系列的量子计算模拟表明，电介质可以诱导非辐射电荷转移态（CT）稳定存在，因而降低了荧光量子效率。
8. 在无线电极表面电化学聚合制备导电聚合物（Electropoly merization onwireless electrodes towards conducting polymer microfibre networks）
Nature Communications, 2016, DOI: 10.1038/ncomms10404
导电聚合物可以很容易地通过在电极表面的电化学反应来获得。为了制备导电聚合物纤维，传统方法常需要用到多孔膜作为模板材料。日本东京工业大学Shinsuke Inagi研究组报道了一种方法，利用交流电（AC）双极性电解法，直接电聚合EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)及其衍生物。该方法无需使用模板材料，PEDOT衍生物在Au线末端以纤维的形式逐渐生成，其生长方向平行于外加电场。他们研究了电场频率和溶剂对产物形貌、生长速率及PEDOT纤维支化度的影响。此外，他们还研究了链增长模式下电导材料网络结构的特点。
9. 柔性、高效全聚合物太阳能电池（Flexible, highly efficient all-polymer solar cells）
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms9547
全聚合物太阳能电池作为柔性和可移动发电器具有很大潜力。为能满足商业应用，这类电池需要有良好的机械寿命和高能量转化效率。韩国科学技术院（KAIST）Taek-Soo Kim和Bumjoon J. Kim组成的联合研究小组开发了一种基于PBDTTTPD聚合物给体和P（NDI2HD-T）聚合物受体的高效全聚合物太阳能电池。电池展示出 6.64% 的能量转化效率，比基于聚合物-富勒烯体系的电池效率（6.12%）还高。更重要的是，这种全聚合物电池在强度和柔性方面也具有极大的提升，因此也更适合用于柔性、可移动设备。
图来源：DOI: 10.1038/ncomms9547
10. 具有小光子能量损失的高效聚合物太阳能电池（High-efficiency polymer solar cells with small photon energy loss）
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms10085
对于聚合物太阳能电池来说，一个关键的问题是如何控制聚合物与富勒烯间的能量，以使短路电流密度和开路电压达到最大化，进而提升能量转化效率。日本广岛大学Kazuo Takimiya、京都大学Hideo Ohkita等人报道了一种基于萘并二恶二唑的聚合物太阳能电池体系，其带隙只有1.52 eV，但开路电压接近1 V，能量转化效率达到9%。这个电池的光能损失仅为0.5 eV，远小于其他聚合物电池体系的光能损失（0.7~1.0 eV）。这一结果主要归功于体系较高能外量子效率，以及较小的电荷分离能量补偿。作者称，这种不寻常的结果有助于未来聚合物太阳能电池效率的进一步提高。
11. 高效体异质结太阳能电池中分子螺线作为电子受体材料（Molecular helices as electron acceptors in high-performancebulk heterojunction solar cells）
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms9242
在过去十多年中，尽管科学家们合成出了各种用于太阳能电池的有机半导体材料，但是富勒烯依然是最广泛使用的电子受体材料。目前还没有非富勒烯受体材料可以达到与富勒烯受体一样高的效率。非富勒烯受体材料的设计原理在该领域中还尚未明确。美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls等人报道了一种螺线型半导体分子，当作为电子受体材料可以时，效率可以与富勒烯材料相媲美。基于此分子制备的电池效率可以达到8.3%。飞秒瞬态吸收光谱表征结果表明，电子和空穴转移过程均发生在给-受体界面。原子力显微镜表明受体材料形成直径为数十纳米的网状结构，有利于激子分离和电荷传输。这项研究为设计高效有机电子受体材料提供了新的思路。
12. 一种用于大面积有机光伏模块的串联工艺（A series connection architecture for large-area organic photovoltaic modules with a 7.5% module efficiency）
Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms10279
用印刷技术来制备有机光伏模块有很大的商业潜力。韩国光州科学技术院（GIST）Soonil Hong等人报道了一种全新的模块结构，既可以减少模块加工流程，又能降低孔径损失。在电子传输层和空穴传输层界面间会有电荷复合，利用这一特点，他们设计了一种串联工艺，可以在加工过程中无需考虑电荷传输层的图形问题。通过这种工艺，他们在4.15 cm2的大面积模块下获得了超过7.5%的高效率。
13. 应用有机热电材料制备的柔性、自发电温度-压力双系数传感器（Flexible and self-powered temperature–pressure dual-parameter sensors using microstructure frame-supported organic thermoelectric materials）
Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms9356
皮肤状的温度传感器和压力传感器对于下一代的人工智能产品来说很重要。前期对电子皮肤的研究主要集中在柔性压力传感器上，但是对同一个器件，同时感应温度和压力是一个挑战。中科院化学所朱道本等人用微结构骨架支撑的有机热电材料（MFSOTE）制备出柔性的温度-压力双系数传感器。器件可以将温度刺激和压力刺激转化成两个独立的电信号，因此可以获得温度和压力的同时感应。器件的温度分辨率为0.1 K，最大承受压力达到28.9 KPa-1。更重要的是，这个器件可以自发电来驱动运行。作者称他们开发的这种低成本、高性能器件有望用于电子皮肤和健康监测上。
14. 有机半导体在真空场中的电导率（Conductivity in organic semiconductors hybridized with the vacuum field）
Nature Materials, DOI: 10.1038/nmat.4392
过去十多年中，提高有机薄膜晶体管迁移率的努力大多集中在优化材料与器件的结构上。法国斯特拉斯堡大学T.W. Ebbesen研究组尝试了一种完全不同的办法，他们将载流子注入到与真空电磁场杂化的能态中。为了证明这一想法，他们将有机半导体强烈耦合到等离子体模式，形成了分布达到105个分子的相干状态。实验结果证明，在耦合状态下，电流提升了一个数量级，这主要来自于场效应迁移率的变化。研究结果证明，可以通过控制真空电磁场环境来调节并提高材料的性质。
15. 溶液印刷有机半导体混合物展现出单晶级的传输特性（Solution-printed organic semiconductor blends exhibiting transport properties on par with single crystals）
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms9598
溶液印刷有机半导体是近几年兴起的一种制备电子和光电子器件的技术。有机薄膜晶体管（OTFTs）在迁移率、开关速度、开启电压和均匀性等方面有严格的技术指标要求，因此目前只能用单晶材料制备器件，不过它却难以放大规模。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Aram Amassian团队报道了一种刮涂技术，将有机共轭小分子和无定型绝缘聚合物的混合物刮涂制备OTFTs，得到了极佳的器件性能。例如，器件的迁移率可达到6.7 cm2V-1 s-1，阈值电压低至1 V，亚阈值摆幅为 0.5 Vdec-1。他们的结果证明，通过精细的控制相分离和结晶过程，溶液加工方法制备的有机半导体多晶薄膜的传输性质也可以达到单晶材料的水平。
（杨琛 摘编自 新材料在线，原译者：Sky）