国家自然科学奖推荐书

1 项目名称：金属有机半导体的结构设计、性能调控与光电应用 主要完成人：黄维（南京邮电大学 、南京工业大学） 赵强（南京邮电大学） 刘淑娟（南京邮电大学） 陈润锋（南京邮电大学） 孙会彬（南京工业大学）

提名者 提名者：教育部

项目简介 该项目属于电子信息科学中的半导体材料前沿学科方向。最近二十多年，有机光电子在显示、存储、传感、光伏等方向取得了显著进展，成为国际研究热点。有机半导体的研究是推动该领域发展的关键。传统纯有机半导体难以利用三重激发态，金属有机半导体在金属原子旋轨耦合作用下，突破了这一局限，可同时利用单重态和三重态激发态。同时，金属中心丰富的电子组态使其具有优异的电学性质。该项目围绕金属有机半导体的高性能化与多功能化，在结构设计、性能调控、光电应用方面获得了创新性研究成果。主要科学发现如下： 1、提出高性能金属有机半导体结构设计新原理，提高有机发光二极管效率。金属有机半导体易聚集发光猝灭、载流子注入及传输不平衡等问题大大影响器件性能。该项目提出位阻功能化和高分子化新策略，显著提高了固态磷光效率，制备了高效、可印刷加工磷光材料；提出了p-n金属有机半导体设计策略，平衡载流子注入与传输，制备的铕配合物发光器件性能达到同期国际最高水平；提出动态自适应设计原理，实现主体材料电性能的智能动态调控，获得了同期低电压驱动的磷光蓝光器件最优结果之一（外量子效率>16%）。 2、发展智能响应型金属有机半导体，实现高密度和高安全性信息存储。该项目提出可印刷加工的二阶和三阶金属聚合物信息存储半导体的设计新策略，制备了高稳定电存储器，率先研制了基于单一聚合物的三阶信息存储器，为发展可印刷加工的超高密度信息存储提供了有效途径；发现电场诱导金属有机半导体磷光变色现象，提出智能响应型有机信息存储的设计原理；利用磷光寿命长的特点，通过时间分辨光学成像，发展了具有安全保护功能的信息存储技术，开辟了有机信息存储领域的研究新方向。 3、利用长寿命三重激发态，通过时间分辨光学技术提高生物信息传感信噪比。在国际上较早开展了长寿命磷光材料在生物传感中的应用研究，发展了针对体内疾病相关重要标志物的磷光生物传感体系；提出以金属聚合物半导体发光寿命为分析信号，实现了分析物变化过程的准确监控，并通过时间分辨光学技术，获得高信噪比、高可信度的检测结果，成功解决了“生物背景荧光干扰导致检测信噪比低”这一领域难题。 该项目历时十余年，发表SCI论文115篇。8篇代表性论文发表在Nat Commun、Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Adv Funct Mater等国际权威期刊上，3篇入选ESI高被引论文，1篇入选

ESI热点论文，被诺贝尔奖得主、美国科学院/工程院院士和欧洲科学院院士等同行在SCI期刊上他引743次，单篇最高他引281次。授权中国发明专利16件。受邀在Chem Soc Rev、 Prog Polym 2

Sci等顶尖期刊发表综述。出版专著《有机电子学》（科学出版社），参编英文专著2部。第一完

成人任Adv Mater、Prog Polym Sci、npj Flexible Electronics等国际知名期刊主编、编委或顾问编委。在国内外学术会议上作邀请报告100余次，承办学术会议20余次。主要成果获2016年教育部自然科学一等奖。

客观评价 该项目研究成果发表了SCI论文115篇，受到国内外同行广泛关注与认可，8篇代表性论文被诺贝尔奖获得者、多国科学院院士等学者在Science、Nat Commun、Sci Adv、Chem Rev 等期刊上SCI正面他引743次，3篇入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文。 对科学发现一的客观评价：该项目关于高性能金属有机半导体及发光器件的研究成果在Angew Chem Int Ed（2013, 52, 10491）、Chem Eur J（2006, 12, 4351）等期刊发表后引起广

泛关注。德国工程院院士Schubert教授在其综述（Adv Mater 2011, 23, 926，见附件2-1）中大段引用该项目成果，指出高分子化策略可以“促进主客体相容，提高能量传递效率”。香港化学会主席Wong教授也充分肯定了该项目高分子化策略（Coord Chem Rev 2009, 253, 1709，见附件2-2），评价所发展的金属聚合物半导体“具有优异的成膜性…良好的氧化还原可逆性…高效的能量传递…促进光电器件的发展【appealing to the advance of optoelectronic devices】”。欧洲稀土和锕系学会主席、瑞士洛桑联邦理工学院终身教授Bünzli在其综述（Chem Soc Rev 2010, 39, 189）中详细介绍了该项目铕配合物发光器件的系列研究成果，并在其文章（Inorg Chem 2013, 52, 8750）中指出“黄等设计的双齿膦氧配体实现了高的光致/电致发光效率【leads to large quantum yields of photo- and electro- luminescence】”。美国科学院院士、犹他大学Stang教授在其文章（J Am Chem Soc 2013, 135, 6694）中肯定了该项目位阻功能化策略在先进光电子领域具有潜在应用。欧洲科学院院士、德国明斯特大学De Cola教授在其文章（Adv Mater 2013, 25, 437）中肯定位阻功能化设计策略提高了溶解性和加工性，抑制了分子间相互作用【The introduction of bulky and alkyl substituents into the structure enhanced solubility and processability, and prevented axial interactions between neighbor molecules】。香港大学支志明院士在文章（Chem Sci 2014, 5, 4819）中指出该项目位阻功能化策略可有效减弱分子间相互作用而抑制发光猝灭。 对科学发现二的客观评价：该项目关于含金属聚合物半导体信息存储方面的研究成果在Adv Funct Mater（2011, 21, 979）发表后引起广泛关注。英国皇家化学会会士、国立台湾大学的Chen

教授在其文章（ACS Appl Mater Interfaces, 2011, 3, 4504）中指出“含金属聚芴半导体在存储方面具有广阔的应用前景【…were identified for promising memory applications】”。该项目报道的第一个基于单一聚合物半导体的三阶信息存储器在Adv Mater（2012, 24, 2901）发表后引起国内外同行的高度关注，被同行(Adv Mater 2012, 24, 6210)评价为“三电阻态的实现能够使数据存储密度指数型增加【exponential increase】，为实现超高密度数据存储提供了有效途径【providing an effective route to achieve UHDDS】”。新加坡南洋理工大学的Chen教授在其文章（Adv Mater 2013, 25, 5498，见附件2-3）中评价该成果，指出“这种多阶存储为单个单元信息存储量超过二阶存储提供了一个独一无二的机会，从而显著增加了存储密度【The multilevel memory offers a unique opportunity to store more than 2-bits in a 3

single cell, thereby enhancing the storage density multifold】”。香港大学任咏华院士在其文章（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10569，见附件2-4）中肯定了该项目的三阶存储设计原理，指出“通过结合两种电双稳单元实现了可溶液加工的三阶存储器件【achieved a solution-processable ternary device from the combination of two independent moieties with electrical bistabilty】”。 该项目关于有机信息安全保护方面的研究成果在国际顶尖期刊Nat Commun（2014, 5, 3601）发表后引起广泛关注，该论文入选ESI高被引论文。日本京都产业大学Tsuboi教授等在其发表在Adv Mater (2017, 29, 1603253，见附件2-5)的综述中对该工作作了多个页面的正面评述，指出

“该出色工作表明了响应型Ir配合物在光学数据记录、存储和安全保护方面的潜在应用【This brilliant work suggested the potential applications of stimuli-responsive cationic iridium(III) complexes in optical data record, storage, and security protection】”，同时指出“金属配合物在多色信息自加密和防伪技术方面具有广阔的前景【high promise in colorful information self-encryption and anti-counterfeiting technology】”。诺贝尔奖获得者、美国科学院院士Stoddart教授在其发表在Nat Commun（2015, 6, 6884，见附件2-6）文章中将该项目的成果作为刺激响应型半导体的代表性工作进行正面引用。香港科技大学唐本忠院士在其文章中（Nat Commun 2017,8,416; Adv Optical Mater 2015, 3, 1184）多次引用该成果，指出“磷光材料由于在电子领域的潜在应用再次引起广泛研究兴趣”。国际顶尖期刊Chem Rev（2015, 115, 7543，见附件2-7）发表的综述肯定该项目的研究成果，指出“长寿命磷光应

用于时间分辨技术为提高信噪比提供了新方法”。 对科学发现三的客观评价：发表在Adv Funct Mater（2013，23，3268）的论文被选为封面文章，入选ESI高被引论文，并被Wiley出版社的MaterialsViews和MaterialsViewsChina分别以“Improving signal-to-noise in biosensing”和“磷光共轭聚电解质用于时间分辨生物检测与成像”为题进行专题报道，指出该项目“首次将时间分辨生物检测和寿命成像技术引入到共轭聚合物传感领域，显著提高了检测的信噪比和灵敏度”。该项目关于金属聚合物半导体在检测与光动力治疗方面的研究成果在Adv Funct Mater（2014, 24, 4823）等发表后引起关注。发表在Chem Rev（2017, 117, 6160，见附件2-8）的综述大篇幅介绍该项目的系列成果并引用原始图片，指出“通过消除短寿命自发荧光干扰显著提高了成像质量【largely improve the imaging quality】”。美国华盛顿大学的Chiu教授在其综述（Anal Chem 2017, 89, 42）中对该项目的多个研究成果进行了详细介绍，指出开发的光敏剂“有效杀死肿瘤细胞”。