泰山学者特聘专家工作计划书

泰山学者特聘专家工作计划书
（范曲立）
一、背景概述
近年来，有机电子学已经迅速发展成为信息技术科学的重要分支。

上世纪七十年代末，黑格尔、麦克德尔米德、白川英树等发明了导电聚合物，揭开了有机电子学这一新领域的序幕，并因此获得了2000年度诺贝尔奖；九十年代初，英国剑桥大学卡文迪许实验室在《Nature》杂志上上发表的有机电致发光的论文掀起了有机电子学研究的热潮；进入21世纪后，有机电子学的研究迅速发展，《Science》杂志将有其列为2000年十大科技成果之一，并花大量篇幅向人们展示了有机电子信息时代的美好前景。

作为一个新兴学科，有机电子学充分体现了物理、电子、信息、材料与化学等多学科的交叉融合。

目前，有机电子学的研究主要集中在有机半导体等领域，相关材料和器件的应用研究取得了日新月异的进展。

通常认为，半导体是信息技术（获取、储存、传输、处理）的重要载体之一，其工作原理、性能极限、制造工艺与应用范围在很大程度上决定了其制造成本与商业化前景。

近年来，半导体向纳米化、分子化以及量子化发展，有机电子学凭借有机半导体独特的分子特性、超分子结构以及软物质行为成为继真空电子、固体电子、光电子之后的国际研究热点。

有机半导体可实现硅等无机半导体所具备的信息传感、存储、光电转换、显示等功能，相关研究主要包括有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode, 简称OLED）、有机薄膜晶体管、有机光伏太阳能电池、有机激光器、有机传感器和有机存储器等。

其中，OLED可应用于平板显示和固体照明等领域；有机薄膜晶体管可应用于RFID标签（物联网/传感网的关键组件）、有源驱动电路、传感器、存储器、电子书或电子纸等领域；有机光伏太阳能电池是重要的新能源途径之一。

另外，低成本印刷电子图案化加工工艺的不断改进与完善，也为有机电子产业注入了无限生机。

总之，有机半导体材料具有种类多、易加工和低成本等显著优势，因而在过去的近二十年中备受学术界和工业界瞩目，逐渐形成了一个新兴的行业——有机电子产业。

由于在照明、太阳能电池、晶体管、传感器、印刷、电容、PCB制造、光刻、人工肌肉及微型电机等电子产品领域相当广阔的应用前景，有机电子学及其有机电子材料产业也因此成为目前世界各国优先支持的研发领域，取得了相当多的研发成果。

但是有机电子材料及其器件尚没有完全实现产业化，这是由于有机电子学及其产业还存在诸多的技术瓶颈，主要有：有机电子学的基本物理过程，如电子和能量的转移、界面物理过程、纳米尺度下的电子行为等，都还没有比较成熟和清晰的理论支撑；其次有机电子材料的设计原则和基本方法尚未建立；材料结构和性能的关系尚未有普遍的规律，材料性能受其制备条件影响很大等等。

信息显示材料与器件是有机电子学的重要应用。

在各种显示技术中，传统的阴极显像管显示（CRT）被称为第一代显示技术；现阶段普及的液晶显示（LCD）和等离子体显示（PDP）被称为第二代显示技术；而OLED与场发射显示（FED）则被公认为第三代技术。

与场发射显示、等离子体显示及液晶显示等平板显示技术相比，有机信息显示技术因具有众多优点：低能耗；驱动电压低（3-5 V）；发光亮度和发光效率高；发光视角宽（> 160°）；高对比度（1000:1）；响应速度快；超薄超轻（< 1 mm）；全固化主动发光；工作温度范围宽(在- 40 ℃至+80 ℃)；材料采用有机物/聚合物，选择范围宽，可实现发光波段从红光到蓝光的调制；成型加工相对简便，可直接利用喷墨印刷技术（Ink-jet printing）等形成复杂的图像和进行大规模大面积生产；可制作在柔性衬底上、实现可卷曲的便携式显示；容易与其它产品集成；优良的性能价格比等，能够满足当今信息时代对显示设备更高性能和更大信息容量的要求。

正由于其出色的视觉效果、轻薄、节能和柔性等卓越性能，有机发光二极管被认为是下一代“梦幻显示”技术，是最具竞争力的第三代显示技术。

有机信息显示是当前有机电子产业的排头兵，其应用范围十分广阔，包括：二维光源，液晶显示器背光源、钟表背光源等；替代液晶用来制作小尺寸的显示器件，包括MP3/4、移
动电话上的显示器以及车辆、头盔显示器等；开发较大尺寸的显示器，如笔记本电脑和平板电视等。

目前，全世界已有60余家国家跨国公司活跃于有机发光二极管显示器件的研究和制造中，其中包括柯达、三星、惠普、菲力普、杜邦、CDT、Epson、日立、IBM、西门子、夏普、索尼、摩托罗拉、TDK、先锋、丰田等著名公司。

从目前的产业化进展来看，有机发光二极管显示主要应用于手机、数码相机以及MP3、MP4等媒体播放器，并已经显示出广泛应用于平板电视显示屏的巨大潜力。

据国际市场调研公司Display Search预计，尽管因全球金融危机的影响、平板显示产业需求有所放缓，但在2009～2016年这8年时间里，按照最保守的估计，OLED显示器销售额的复合年均增长率仍将达到140%，在2016年有机发光二极管电视销售额将达到23.71亿美元。

尽管世界上众多国家和地区的研究机构和公司致力于有机电子及相关材料和器件的研究开发，有机发光二极管显示技术经历了从实验室研究到开发高分辨率、高稳定性、大尺寸和全彩色实用显示产品的产业化过程，但产业化进程远远低于人们的预料，主要是还有许多关键问题未实质性解决，如材料和器件的稳定性不够理想、有机材料的迁移率偏低、器件使用寿命太短、材料和器件的发光色纯度的进一步提高、封装技术、图案化技术、全印刷技术及器件集成技术的进一步完善等问题。

显而易见，有机电子及其产业的进一步发展，材料的创新是基础、器件的研究是核心，而应用则有赖于全方位的技术集成。

目前涌现的几种新型OLED技术也突出反映了人们对这些问题的探索：顶发射有源驱动OLED器件有提高发光亮度、强度和分辨率的潜在优势；低温多晶硅薄膜晶体管有源驱动OLED 和喷墨打印技术可望解决大面积彩色显示问题，但技术尚未成熟；硅基有机发光二极管（OLEDos）微显示器能集成控制电子线路，使显示器体积减小、成本降低。

相信随着各种新兴技术的发展，以上这些问题将会迎刃而解。

另一方面，有机信息传感将大大推进“物联网”信息时代的来临。

“物联网”被世界共认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，世界主要信息化发达国家都已将“物联网”纳入国家发展战略。

据BeechamResearch数据显示，今年全球M2M终端规模为9，926万，年增长率近70%。

AlexanderResources的数据则表明，从全球市场来看，预计到2010年M2M市场规模将达到2234亿美元。

美国市场研究公司Forrester预测，到2020年，世界上“物物互连”的业务跟人于人通信的业务比例将达到30:1，因此“物联网”将被称为下一个万亿美元级的通信业务。

2011年11月7日，总投资超过2.76亿元的11个物联网项目在江苏无锡成功签约，项目研发领域覆盖传感网智能技术研发、传感网络应用研究、传感网络系统集成等物联网产业多个前沿领域，此举也意味着我国在物联网研发领域又迈出了坚实的一步。

作为物联网建设中不可或缺的部分，基于有机电子学的有机信息传感综合运用了材料科学、生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等众多学科以及光、电、色等各种技术，在信息传感技术中也占据着重要的地位。

有机信息传感器的识别捕获区域在组装识别元件后可以特异性地捕获靶分子；信号转导区域可以通过水溶性共轭聚合物和纳米粒子/纳米线/纳米管的光电效应将生物识别过程转换成光、电或色信号，并有可能实现多种信号的同时输出以提高信号特异性；级联放大部分可以通过纳米结构表面的多种反应实现信号倍增，提高检测灵敏度，从而大大推动物联网技术的实现。

就目前发展来看，“物联网”三大支柱技术中的通信技术和计算机技术已获得了充分的发展，而传感技术与实际需求仍存在很大差距，已经被越来越多地认为是其发展的瓶颈。

因此，发展高灵敏度、高选择性的新型信息传感器，尤其是模拟生物识别过程的生物传感器(Biosensor)成为信息时代亟待解决的问题。

1999年，美国Los Alamos国家实验室的Whitten研究组首先将共轭聚合物衍生化，使之成为水溶性分子，奠定了将共轭聚合物应用于生物传感检测领域的基础。

经过Heeger, Bazan和Whitten等研究组近些年的共同努力，共轭聚合物生物传感器已经被成功地应用于若干重要生物体系的检测，如基因检测、蛋白质/酶活性测定、抗原抗体识别乃至细菌的直接测定等方面，初步展示了共轭聚合物在快速的高灵敏度生物传感方面的优越性，显示出共轭
聚合物生物传感器巨大的发展潜力和应用前景。

目前，国际上已有包括中国研究者在内的十余个研究组活跃在这个前沿研究领域，在Nature Materials，PNAS，JACS等权威杂志上发表论文数十篇。

而这种由学科交叉产生的独特魅力正吸引着越来越多来自生物、信息和材料领域的研究者的参与。

尽管基于共轭聚合物的荧光生物传感器研究已经取得了很多令人瞩目的成果，我们看到这一新兴的研究领域尚远未发展成熟，还有许多问题尚待进一步深入。

目前面临的主要有这样几个挑战性问题。

第一、合成多样性的共轭聚合物主链。

目前在共轭聚合物生物传感器中作为荧光报告器（Reporter）用的发光元件(共轭聚合物主链)数量非常有限，这在很大程度上限制了生物传感器的选择范围，因此亟待开发新的品种以获得高灵敏度响应。

第二、设计功能化的共轭聚合物侧链。

共轭聚合物的侧链作为识别和捕获外来物种的接受器（Receptor），关系到生物传感器的专一性和选择性，是传感器实现特异性检测的关键部件。

目前多数的接受器只是采用单点识别模式，即仅以一种相互作用力来驱动主体和客体间的结合，因而对于生物分子的选择能力受到很大限制。

通过模拟生物体系的多点识别模式，即多种相互作用力（静电作用、氢键作用、疏水作用和空间匹配等）协同工作，就有可能极大提高共轭聚合物生物传感器的专一性和选择性。

第三、选择新型的生物传感体系。

目前利用共轭聚合物为敏感材料的生物传感器虽然在若干模型生物体系检测中获得了成功，然而由于生物体系的复杂性，共轭聚合物与生物体系之间的相互作用机理还很不清楚，需要深入研究。

生物传感器在临床检测等实际应用中的效果尚未得到验证。

因此未来若干年的目标是根据已有共轭聚合物材料选择合适的生物传感体系或者针对特定生物分子的结构和性质，设计出特异性的共轭聚合物分子，从而实现对其高灵敏度、高选择性的生物检测。

申报人范曲立教授及其所在的团队在上述领域的科研工作在国内具有重要地位，在国际上有较大影响力。

申报人所在的实验室在有机电子研究方面的综合实力处于国内领先水平，在分子能带工程、高性能有机发光材料、生物传感与成像等方面保持着领先优势。

主要表现在：
1.高效稳定蓝光有机半导体器件，获国家自然科学二等奖1项及江苏省科技进步二等奖1项
主要成果：设计并制备了一系列高效稳定芴基蓝光材料，系统研究了芴基光电信息材料结构与性能之间的关系。

①在国际上率先将非平面的螺双芴单元引入聚芴蓝光材料体系中，大幅度地提高了有机光电材料的热学、电学和光谱稳定性，并对聚芴类材料长波长发射现象提出了合理的理论解释。

②提出单分散多臂结构的大分子设计思想，并且在国际上率先提出并成功发展了微波辅助增强来合成此类功能材料，成功获得了高产率、高纯度而单分散的多臂结构三并咔唑芴类材料，开辟了快速高效制备支化结构光电功能材料的新途径，所得到的材料由于其显著的空间位阻有效地抑制了分子间聚集以及缔合物的形成，显著提高了固体蓝光发射性能。

③通过量子化学计算以及实验研究，从理论上研究了杂芴和聚杂芴，同时提出了合成2,7-二溴杂芴的简便通用路线，并根据此路线得到了七种新的2,7-二溴杂芴，并通过Suzuki聚合制备了所得2,7-二溴杂芴的聚合物。

主要贡献：通过芴苯交替共聚来开发新型高效芴类蓝光材料，并获得了高效率的蓝光器件。

随后相关内容在Advanced Materials发表后已被引用200余次，成为有机电子学领域提高蓝光效率和材料稳定性的代表性工作之一。

通过旋涂成膜制备的单层器件实现了稳定、高效而超纯的蓝发射，得到了远优于聚芴类材料的器件性能，是一类相当具有应用前景的蓝光材料。

以上这几方面的工作已申请了多项专利，在Advanced Materials, Applied Physics Letters, Macromolecules, Organic Letters, Chemistry of Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Organic Electronics, Journal of Computational Chemistry等国际SCI学术杂志上共发表了50多篇高质量研究论文，论文他引次数800多次。

该类材料制备的OLED器件可以不使用空穴注入层，大大简化了器件结构，其性能可以同最好的蓝光OLED相比，具有极好的市场推广前景。

2.新型全色水溶性发光聚合物，获江苏省科技进步二等奖1项
主要成果：共轭聚合物和被分析物之间的电子或能量转移可以实现“超级”荧光淬灭。

荧光信号比其它响应更灵敏、更易探测，其灵敏度比小分子高二到三个数量级。

因此，水溶性荧光共轭聚合物可用于制备高灵敏度、高选择性的化学和生物传感器。

此外，由于作为溶剂的水无污染、无公害且价格低廉，水溶性共轭聚合物也就成为喷墨打印法制备聚合物薄膜显示器件的理想材料。

①作为国际上最早进入共轭聚合物生物传感领域的研究团队之一，本实验室在国际上率先将芴发光体系引入到水溶性共轭聚合物分子结构中，成功制备了高荧光效率的水溶性芴基阳离子型蓝光共轭聚合物，其结果在Chemical Communications上报道后已被他引30余次，成为国际上高效率水溶性共轭聚合物的代表性工作之一，被许多研究团队用于共轭聚合物生物传感材料的开发并体现出优越的性能。

②为进一步推进有机电子学向纳米和分子层次拓展，在聚合物侧链挂接离子基团的传统方法，提出利用刚－柔嵌段共聚物超分子自组装行为以及柔性链的易修饰性来开发共轭聚合物传感材料的新方法，可满足刚－柔嵌段共聚物作为生物传感材料的高选择性要求，这为共轭聚合物生物传感材料制备开辟了新的途径。

③将芴发光基团与联吡啶基团同时引入共轭聚合物体系，研究了由于金属离子和共轭聚合物中联吡啶的配位作用而导致的荧光信号变化，为实现荧光传感提供了新的思路，此文发表后受到广泛关注被他人引用50余次。

团队同时开发出了针对在生物体的呼吸链中起转移电子重要作用的蛋白 阴离子型铁硫蛋白的检测方法，其结果在Macromolecular Rapid Communications上被作为封面论文发表。

主要贡献：在探索共轭聚合物与被分析物间的相互作用、共轭聚合物聚集体的形成以及功能、荧光淬灭过程等诸多领域取得了很好的成果，相关工作已发表在Chemical Communications、Macromolecules和Macromolecular Rapid Communications等期刊杂志上。

3．申报人进一步在水溶性共轭高分子的设计、合成及应用方面以实现其高性能化为目标，围绕“分子组成、空间结构、聚集行为与光电性能的相互关系”这一关键科学问题，沿着“结构－聚集－性能”这一研究主线开展工作取得了系统和创新性成果。

尤其在有机光电材料应用于生物成像方面，成绩突出。

在小鼠脑深部肿瘤光声成像（Advanced Materials）、黑色素纳米探针应用于肿瘤靶向多模成像(Journal of the American Chemical Society)等方面均取得了丰硕成果，相关工作被《Nature》旗下著名评论期刊《SciBX》（Science-Business eXchange）列为世界生物技术领域一周中最为重要的研究成果之一进行了专题亮点报道（SciBX 7(43); doi:10.1038/scibx.2014.1280），提出了该工作潜在的商业应用价值并作出了高度评价。

申报人及其团队在重视基础研究的同时，不断强化自主知识产权的保护与研发工作。

紧紧围绕有机发光二极管显示的产业技术开展工作，在界面工程、薄膜工艺、柔性电极、封装技术、非标多功能真空蒸镀设备以及喷墨打印系统等方面展开系统的研究，在有机光电材料与显示领域形成了从材料开发到器件制备过程以及封装工艺等比较完整的专利群。

目前正进行产业孵化，红、绿、黄三色OLED的实验测试寿命长于2万小时；实现了蓝和白色试验器件寿命超过7千小时，点阵器件寿命5-7千小时，掌握了OLED制备过程较为完整的关键技术，包括彩色化技术（CCM技术）、薄膜制备技术、PM-OLED显示驱动技术，在国内外已具有一定的影响。

二、总体思路和计划
1、总体思路：
工作思路主要是围绕国家中长期科技发展战略，通过双方合作，充分发挥双方各个方面的资源优势，重点对有机电子材料及其在信息和生物领域的应用进行深入系统研究，不断提高本领域的基础理论和技术水平。

结合申报人多年在有机光电显示与器件方面的研究经验，希望能够通过高水平科学研究工作的开展，帮助贵单位创建有机电子材料领域的技术创新平台，稳定一支精干的研究队伍，扩大多种形式的国际和地区科技合作与交流，积极推动人才的培养和成长，为国家经济建设与社会发展培养高层次科学研究和工程技术创新人才。

具体来说主要研究方向包括以下两个方面：
●新型信息显示材料与器件关键技术研究；
●新型信息传感材料与技术研究
1. 信息显示材料与器件关键技术研究
有机电子学在研究上最活跃和产业化方面最有应用潜力的是有机电子材料和器件应用于信息显示方面的研究和开发。

新一代的有机电致发光显示（OLED）具有更薄更轻、主动发光（不需要背光源）、无视角问题、高清晰、高亮度、响应快速、能耗低、使用温度范围广、抗震能力强、成本低和可实现柔性显示等特点，其中不少特性是当前主流液晶显示所难以实现的。

但这一研究方向还有许多关键问题未实质性解决，如材料和器件的稳定性不够理想、有机材料的迁移率偏低、器件使用寿命太短、材料和器件的发光色纯度的进一步提高、封装技术、图案化技术、全印刷技术及器件集成技术的进一步完善等问题。

在本研究方向，申报人将围绕信息显示领域的关键科学技术问题进行研究，将重点开展基于有机电子学理论的新型信息显示材料与技术的研究。

研究内容：新型信息显示材料的开发，重点是具有高发光效率和色纯度的材料的实现；提高有机电子材料的载流子迁移率；深入了解材料的老化机制，提出实现器件制备的高性能与稳定化策略；完善显示驱动技术以及封装工艺等。

2. 信息传感材料与技术研究
在当前“物联网”技术的研究热点中，对传感器的响应速度、灵敏度、方便可靠性、获取的信息量等方面提出了较高的要求；而传感器本身也是人类从外界感知和获取信息的手段扩展和延伸，为了实现对人类疾病的诊断和治疗、深入了解生命过程，也需要发展各种生物传感器以获取器官、组织、细胞、分子等多层次的生物信息。

因此，发展高灵敏度、高选择性的新型信息传感器，尤其是模拟生物识别过程的生物传感器（Biosensor）成为信息时代亟待解决的问题。

在本研究方向，本实验室紧紧围绕信息传感领域的关键科学技术问题进行研究，将重点开展基于水溶性共轭聚合物光电材料的信息传感技术的研究。

研究内容：利用水溶性共轭聚合物的特性和模拟生物体系的特异性识别作用，结合多个维度和不同材质的纳米材料，完成纳米局限空间内的多个相关反应的耦联，实现识别捕获、信号转导和级联放大等功能的集成，从而获得高效传感器。

2、工作计划：
2015-2016年，设计合成有机半导体光电材料：
✧材料制备：用化学合成，制备高发光效率有机半导体材料、高发光纯度有机金属配合物材料、高效稳定的共轭高分子材料。

在p-n设计概念的指导下，调节有机电子材料的HOMO 和LUMO能级，充分运用电子给体单元、电子受体单元等构筑新型高效发光材料，水溶性共轭聚合物材料，高迁移率有机半导体材料，实现有机半导体光电材料的可控制备。

✧材料表征：用各种仪器来研究发光效率、电子转移和能量转移等光物理性质。

✧在双边交流方面，积极组织有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地-聊城大学双边研讨会。

2016-2017年，有机半导体的微加工工艺及结构可控构筑：
✧不断优化有机半导体薄膜的微加工工艺，着重发展分子间具有 相互作用和电荷转移相互作用的共轭分子。

研究半导体材料在不同物理化学环境下的自组装形态，阐明形成纳米形貌的驱动力和影响因素。

✧在基于自组装有机半导体光电薄膜工艺基础上，研究有机半导体薄膜的结构调控，发展表面自组装理论并实现对表面有序结构的可控制备，掌握图案化打印和多层打印技术。

✧在带领团队人员积极与同行其他专家进行有机光电材料与器件方面的合作研究，拓展有机半导体材料在光电器件以及生物传感和成像方面的应用。

2017-2018年，显示器件的高性能化研究：
✧高效稳定的有机发光显示器件研制：研制出低驱动电压、高效率、长寿命的有机发光。