有機半導(dǎo)體：為碳電子時代繪美景

文/王云立

在不久的將來，我們生活中會增加這樣一個場景：只要將一層薄薄的有機材料涂在墻面、玻璃或者衣服上，當(dāng)有電流通過時，就能夠顯示比液晶和等離子更清晰的畫面。這是有機半導(dǎo)體技術(shù)普遍應(yīng)用的結(jié)果。中科院院士、南京工業(yè)大學(xué)校長（原南郵副校長）黃維及其團隊承擔(dān)的有機半導(dǎo)體的設(shè)計原理、高效制備與光電器件項目，在有機半導(dǎo)體高性能化和多功能化新理論、新方法及相關(guān)應(yīng)用研究方面取得突破，為有機半導(dǎo)體的研究建立了指導(dǎo)原則，使其從經(jīng)驗摸索階段上升到理性設(shè)計階段，并帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該項目因此獲得了國家自然科學(xué)二等獎。

20世紀(jì)是硅電子時代，21世紀(jì)則是碳電子時代。基于碳元素的有機半導(dǎo)體具有獨特的光電性能，尤其是在柔性化、大面積、低成本以及節(jié)能環(huán)保等方面具有顯著優(yōu)勢，這一國際前沿科學(xué)研究已成為電子信息科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。

據(jù)黃維介紹，有機半導(dǎo)體是信息領(lǐng)域的一門“新興與交叉學(xué)科”。稱其“新興”，是因為從有機半導(dǎo)體的研究登堂入室到如今總共也不過20多年。過去人們曾普遍認(rèn)為以塑料為代表的有機材料是絕緣材料。直到20世紀(jì)70年代導(dǎo)電塑料的發(fā)現(xiàn)，才打破了人們的慣性思維，也拉開了有機半導(dǎo)體研究的序幕。導(dǎo)電塑料的發(fā)明人、美國物理學(xué)家艾倫·黑格教授也因此獲得2000年諾貝爾獎。稱其“交叉”，是因為它融合了信息、材料、化學(xué)、物理、電子等多個學(xué)科。有機半導(dǎo)體不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體所稟賦的各種功能，而且基于其獨特的光電性能，可應(yīng)用于顯示、傳感、存儲和光電轉(zhuǎn)換等各個方面，在柔性化、大面積、低成本以及節(jié)能環(huán)保等方面亦有獨到之處，充分體現(xiàn)了學(xué)科“交叉”之優(yōu)勢。

黃維認(rèn)為，盡管有機光電子學(xué)被寄予厚望，但較之于我們已經(jīng)熟悉并且相對成熟的硅基電子學(xué)，其探索還停留在“盲人摸象”的感性認(rèn)識階段，缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。如何進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、理性設(shè)計，實現(xiàn)從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍，實現(xiàn)“按圖索驥”、“量體裁衣”，在很長一段時間內(nèi)成為困擾學(xué)術(shù)界的一大難題。

在此背景下，黃維團隊聚焦有機半導(dǎo)體材料與器件的研究，圍繞有機光電子的基本物理過程，有機半導(dǎo)體的分子設(shè)計、性能和功能，有機半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究與創(chuàng)新探索；取得了一系列重要的理論創(chuàng)新成果：揭示了有機半導(dǎo)體凝聚態(tài)調(diào)控機理，提出并論證了有機半導(dǎo)體設(shè)計原理，形成了有機半導(dǎo)體高性能化和多功能化的新理論、新方法，拓展了有機半導(dǎo)體在激光、存儲、傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用，為有機半導(dǎo)體的研究建立了指導(dǎo)原則。連艾倫·黑格教授都稱贊黃維“在有機電子發(fā)光領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，是有機電子領(lǐng)域國際領(lǐng)軍人物之一”。

黃維表示，該成果不僅推動了有機半導(dǎo)體理論的發(fā)展，構(gòu)建了有機光電子學(xué)學(xué)科框架，使有機半導(dǎo)體研究工作從經(jīng)驗摸索上升到理性設(shè)計階段；同時推動了有機半導(dǎo)體在光電子信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

目前，全球?qū)π屡d材料與器件的需求日益迫切，這不僅為有機半導(dǎo)體材料與器件研發(fā)提供了用武之地，也為實際運用領(lǐng)域打開了廣闊空間。目前有機光電子技術(shù)正日趨成熟，并逐漸進(jìn)入社會經(jīng)濟生活。其中，有機半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用在顯示屏技術(shù)上，就是為人們所熟知的OLED，即有機電子發(fā)光器件，這是繼CRT和LCD之后的第三代顯示技術(shù)。

目前全球百余家跨國公司活躍于有機半導(dǎo)體的研發(fā)制造中，包括三星、索尼、杜邦、西門子、菲利普、巴斯夫等。1月7日，在美國拉斯維加斯國際會展中心開幕的全球最具前瞻性的國際消費電子展(CES)上，無論是海信、海爾等中國廠商，還是三星、LG等國外廠商，都不約而同地聚焦于OLED技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。