2019提名国家自然科学奖项目-高效有机蓝光材料及其介观结构发光器件研究

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2019提名国家自然科学奖项目公示
项目名称        高效有机蓝光材料及其介观结构发光器件研究
提名单位        教育部
提名单位意见：
该项目针对有机电致发光 (OLED)中蓝光难以同时实现高效与高色纯度的现状，围绕蓝光急需解决的载流子传输不平衡、发光淬灭与红移、出光效率的器件结构限制等关键科学问题进行了系统研究：1.调控电荷传输平衡实现高效蓝光：基于材料的电荷传输不平衡的问题，创新性提出了器件整体的电荷传输平衡的解决方案，设计了新型宽禁带电子传输材料，实现了近100%内量子效率发光，解决了蓝光材料电荷传输不平衡的问题；2.调控分子立体与电子结构实现高效、高色纯度蓝光：探索分子立体结构及共轭度对光、电特性的综合调控机制。利用高空间位阻抑制分子聚集与发光淬灭及红移，设计了新型深蓝光材料，色坐标达到NTSC蓝光标准，且效率接近理论极限，处于世界领先水平；3.介观光子结构提升器件出光效率：研究表面等离激元及波导模式与自由光子的耦合机理，利用自聚集制备有机介观光子结构提高出光效率，突破出光效率的器件结构限制，且避免对器件电学性能的影响，被国际同行评价为兼具低成本与大面积制备的普适方法。该项目获得发明专利7 项，其中1 项转让，《有机电致发光-从材料到器件》日文译著1 本，8篇代表性论文SCI 他引1170次，其中2篇入选ESI前1%高被引论文，部分成果曾获2015年度教育部自然科学奖一等奖。
    对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为国家自然科学奖二等奖。


项目简介：
有机电致发光 (OLED) 是液晶后平面显示，特别是未来柔性显示的首选。项目针对OLED蓝光难以兼顾高效与高色纯度的现状，围绕急需解决的载流子传输不平衡、发光淬灭与红移、出光效率的器件结构限制等关键科学问题，开展新型蓝光材料、器件及机理系列研究，取得如下科学成果：
1)调控电荷传输平衡实现高效蓝色发光：项目系统研究氮杂环对电荷传输的调控机理，通过电荷空间分离结构设计系列高电子迁移率传输材料。被曹镛院士等评价为“采用萘啶...优于传统的电子传输材料”。研究了绝缘体掺杂调控界面能带弯曲，提高材料电子传输，性能显著优于LiF（已商用化）器件。工作被指名评述“实现了高效OLED”。 针对高效蓝光材料的载流子传输不平衡，研究-弱共轭性调节能级及电荷传输机理，创新性提出了器件整体电荷传输平衡的解决方案，设计新型宽禁带电子传输材料DPPS，获得了近100%极限内量子效率，解决了蓝光材料电荷传输不平衡的问题，工作发表于Adv. Mater.，单篇SCI他引226次。Nature子刊NPG Asia Mater.以“有机发光二极管：蓝色的完美”专题报道，为蓝色发光器件的设计提供了“新途径”。工作获得OLED开创者C.W.Tang教授肯定；被评价为“…是很有前景的母体材料”；“肖等…实现了接近理论极限的高效率”。分子设计理念被国际同行广泛采用。基于论文报道，材料DPPS被Lumtec、Alfa Chemistry等十多家公司生产与销售。
2）调控分子立体及电子结构实现高效、高色纯度蓝光：项目为解决发光淬灭与红移的关键问题，深入研究分子立体结构及共轭度对光、电特性的调控机制，通过超快光谱技术, 从微观层面上探究分子立体结构对光电性能调控。将电荷传输平衡概念引入到发光分子的结构设计，及利用空间位阻调控分子聚集，抑制发光淬灭及红移，设计了新型深蓝光材料DPSF等，色坐标达到NTSC蓝光标准，且效率接近理论极限，被评价为“极具潜力的深蓝发光材料”。代表论文4与6被著名发光专家J. Kido列为10年来深蓝光研究进展之一。应邀为Adv. Mater.撰写综述论文，单篇SCI他引818次，被发光权威M. Thompson和S. Forrest、TADF材料开创者C. Adachi、著名发光专家K. Leo等在Nature子刊等多次引用。
3）介观光子结构提升器件出光效率：项目为突破器件结构对出光效率的限制，研究了表面等离激元及波导模式与自由光子的耦合机理，利用自聚集在顶发射金属电极外表面引入介观光子结构，显著提升耦合出光效率，且避免对器件电学性能的影响。工作被评价为“提高器件效率的普适方法”，还被著名专家H. S. Kwok等在综述中大篇幅引用并评述为“兼具低成本、大面积的有效光提取方法”。
    8篇代表论文被SCI他引1170次，其中2篇入选ESI前1%高被引论文，授权发明专利7项，其中1项转让，日文译著1本。龚旗煌担任中国光学学会理事长、国际光学委员会副主席及2018亚洲光电子会议共同主席，项目组担任2015亚洲有机电子学会议共同主席，多次在本领域国际会议作邀请报告，材料DPPS被多家公司广泛生产与销售。部分成果曾获2015年教育部自然科学一等奖。
客观评价：
1. “Organic LEDs: Blue Perfection”, NPG Asia Mater. (Nature子刊，2009-04-28)
附件引文1中“研究热点”（Research Highlights）栏目以“有机发光二极管：蓝色的完美——采用新设计思路在有机蓝光中实现了近乎完美的发光效率”为题进行专题报道该项目的高效蓝色发光（代表论文2）。报道指出：“一种新的设计策略使得有机蓝光器件具有近乎完美的发光效率。…中国北京大学和日本山形大学开发出一种新型的OLED材料，其内部发光效率接近100%。…通常，用于改善（蓝光）OLED性能的策略要求材料具有良好的电子导电性及较大的能隙，然而这两者难以同时实现。…因此，研究人员采用了一种新的方法来解决这个问题，开发出一种化合物，可以最大限度地减少空穴在电子传输层中的泄漏，从而最大限度地减少因电子空穴复合而产生的损失。…基于这种新方法，商业OLED器件有望进一步发展。”
2. “White Organic Light Emitting Diodes”, Adv. Mater. 2011, 23, 233-248.
作者K. Meerholz（著名有机光电专家，德国教授）等在附件引文2中评价该项目代表论文2中报道的基于四苯基硅电子传输材料：“有机硅化合物比如四苯基硅…由于高的三线态能级以及…高稳定性被认为是很有前景的母体材料”。
3. “Influence of the hole blocking layer on blue phosphorescent … using…carbazole as host material”, Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 093304
作者K. Leo (著名有机光电专家，德国教授)等在附件引文3中引用该项目代表论文2中的工作并指名评述“这些事实（电子传输材料性能影响蓝色磷光器件效率）最近被肖等报道，作者采用低电子迁移率的有机硅化合物作为空穴阻挡层实现了接近理论极限的高效率”。
4. “Nitrogen heterocycle-containing materials for highly efficient phosphorescent OLEDs with low operating voltage”, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 9565
作者S.-J. Su与Y. Cao（著名发光专家，苏仕健教授及曹镛院士）等在附件引文4中引用代表论文3中分子结构图，并评述该工作中的材料“含有2个吡啶环的萘啶由于其吸电子性质…这些器件显示比普通的电子传输材料...更好的器件性能”。
5. “Recent advances of the emitters for high performance deep-blue organic light-emitting diodes”, J. Mater. Chem. C, 2015, 3,913-944
作者G. Zhou*等在附件引文5中引用该项目代表性论文1，2和6，详细阐述了代表性论文6中的深蓝光材料及其器件性能，并引用分子结构图，评价其为“具有巨大潜力的深蓝发光体”。
6. “..Highly Efficient Deep-Blue Emission..”, Adv. Funct. Mater. 2014,24, 2064-2071. 作者Y.-J. Pu与J. Kido (白光OLED的发明人，日本教授)等在附件引文6列表总结了自2001年来深蓝光的研究进展，该项目代表论文4与6入选其中。
7. “Highly enhanced electron injection in organic light-emitting diodes with an n-type of MnO2 layer”, Org. Electron. 2012,13,820–825 作者Y. Yi (韩国教授) 等在附件引文7中指名评述代表论文5中的工作：“作者采用绝缘体MnO电子注入层实现了高效OLED”，并报道了Mn的另一种氧化物(MnO2)在OLED中的应用。
8. “Nanocrystallized Organic Thin Films as Effective Light Outcoupling Layers for Organic Light-Emitting Diodes”, Isr. J. Chem. 2014,54, 847-854
作者S. Chen与H.S.Kwok (著名光电专家, 香港科技大学郭海成教授)在附件引文8中详细综述了该项目代表论文7中采用介观光子结构提高器件效率的方法，引用其器件性能图，并指名评述为：“兼具低成本、大面积的有效光提取方法”。
9. 基于该项目代表性论文2的报道，材料DPPS（CAS No. 1152162-74-7）被中国台湾Lumtec公司(http://www.lumtec.com.tw/) 商品化生产与销售（产品名LT-N869），并被广泛销售，如美国Alfa Chemistry, 英国Ossila、Arza Bioscience，韩国CS Elsolar、Konchie Chem、EM Index以及中国香港伊域化学药业、上海大然化学、瑞奇斯特集团有限公司、万翔材料等十余家中国公司。(https://www.lookchem.com/newsell/search.aspx?key=1152162-74-7)
  
10. “Ultrahigh-efficiency solution-processed simplified small-molecule organic light-emitting diodes using universal host materials”, Sci. Adv. 2016, 2: e1601428
作者T.-W. Lee（OLED知名学者，韩国教授）等在论文中引用及评价该项目代表论文2中的材料DPPS“采用四面体构型并结合2个吡啶的间位连接, 使得材料具有好的形貌稳定性及溶解性”，并设计了DPPS材料的同分异构体，并用于溶液加工的不同颜色磷光器件，均获得极高效率。

11. “Investigation of blue phosphorescent organic light-emitting diode host and dopant stability”, Org. Electron. 2014, 15, 1312–1316;
“Investigating blue phosphorescent iridium cyclometalated dopant with phenyl-imidazole ligands”, Org. Electron. 2014, 15, 3127–3136
作者C.W. Tang(OLED开创者, 邓青云教授)等在上述2篇论文中阐述高效蓝色磷光器件时，指出代表论文2的工作实现了“100%的内量子效率的蓝光器件”。
代表性论文专著目录：（按照提名书表格列出主要内容，不需再做表格）
1. Title: Recent Progresses on Materials for Electrophosphorescent Organic Light-Emitting Devices
Author(s): Xiao, LX (Xiao, Lixin); Chen, ZJ (Chen, Zhijian); Qu, B (Qu, Bo); Luo, JX (Luo, Jiaxiu); Kong, S (Kong, Sheng); Gong, QH (Gong, Qihuang); Kido, JJ (Kido, Junji)
Source: ADVANCED MATERIALS Volume: 23 Issue: 8 Pages: 926-952 DOI: 10.1002/adma.201003128 Published: FEB 22 2011  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 他引818


2. Title: Nearly 100% Internal Quantum Efficiency in an Organic Blue-Light Electrophosphorescent Device Using a Weak Electron Transporting Material with a Wide Energy Gap
Author(s): Xiao, LX (Xiao, Lixin); Su, SJ (Su, Shi-Jian); Agata, Y (Agata, Yuyo); Lan, HL (Lan, Hsinglin); Kido, J (Kido, Junji)
Source: ADVANCED MATERIALS Volume: 21 Issue: 12 Pages: 1271-+ DOI: 10.1002/adma.200302034 Published: MAR 26 2009  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 226


3. Title: Highly Efficient Electron-Transporting/Injecting and Thermally Stable Naphthyridines for Organic Electrophosphorescent Devices
Author(s): Xiao, LX (Xiao, Lixin); Xing, X (Xing, Xing); Chen, ZJ (Chen, Zhijian); Qu, B (Qu, Bo); Lan, HL (Lan, Hsinglin); Gong, QH (Gong, Qihuang); Kido, J (Kido, Junji)
Source: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS Volume: 23 Issue: 10 Pages: 1323-1330 DOI: 10.1002/adfm.201202194 Published: MAR 13 2013  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 30


4. Title: A Deep-Blue Emitter with Electron Transporting Property to Improve Charge Balance for Organic Light-Emitting Device
Author(s): Xing, X (Xing, Xing); Zhang, LP (Zhang, Lipei); Liu, R (Liu, Rui); Li, SY (Li, Suyue); Qu, B (Qu, Bo); Chen, ZJ (Chen, Zhijian); Sun, WF (Sun, Wenfang); Xiao, LX (Xiao, Lixin); Gong, QH (Gong, Qihuang)
Source: ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES Volume: 4 Issue: 6 Pages: 2877-2880 DOI: 10.1021/am300685b Published: JUN 2012  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 28


5. Title: Highly efficient organic light emitting devices with insulator MnO as an electron injecting and transporting material
Author(s): Luo, JX (Luo, Jiaxiu); Xiao, LX (Xiao, Lixin); Chen, ZJ (Chen, Zhijian); Gong, QH (Gong, Qihuang)
Source: APPLIED PHYSICS LETTERS Volume: 93 Issue: 13 Article Number: 133301 DOI: 10.1063/1.2960349 Published: SEP 29 2008  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 19


6. Title: Spirobifluorene derivative: a pure blue emitter (CIEy approximate to 0.08) with high efficiency and thermal stability
Author(s): Xing, X (Xing, Xing); Xiao, LX (Xiao, Lixin); Zheng, LL (Zheng, Lingling); Hu, SY (Hu, Shuangyuan); Chen, ZJ (Chen, Zhijian); Qu, B (Qu, Bo); Gong, QH (Gong, Qihuang)
Source: JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY Volume: 22 Issue: 30 Pages: 15136-15140 DOI: 10.1039/c2jm32512h Published: 2012  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 20


7. Title: Enhancement of top emission for organic light-emitting diode via scattering surface plasmons by nano-aggregated outcoupling layer
Author(s): Wang, ZY (Wang, Ziyao); Chen, ZJ (Chen, Zhijian); Xiao, LX (Xiao, Lixin); Gong, QH (Gong, Qihuang)
Source: ORGANIC ELECTRONICS Volume: 10 Issue: 2 Pages: 341-345 DOI: 10.1016/j.orgel.2008.12.008 Published: APR 2009  
Times Cited in Web of Science Core Collection: 13


8. Spatial Conformation and Charge Recombination Properties of Polythiophene Deriatives with Thienylene-Vinylene Side Chains Investigated by Static and Femtosecond Spectroscopy
By:Meng, K (Meng, Kang); Ding, Q (Ding, Qing); Wang, SF(Wang, Shufeng); He, YJ (He, Youjun); Li, YF (Li, Yongfang) ; Gong, QH (Gong, Qihuang)
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B, Volume: 114 Issue: 8 Pages: 2602-2606DOI: 10.1021/jp909271e,Published: MAR 4 2010
Times Cited in Web of Science Core Collection: 16


主要完成人情况：（摘自“主要完成人情况表”中的部分内容，公示姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创造性贡献）样式如下：
1. 姓名，排名1，主任，教授，工作单位：清华大学，完成单位：北京大学，是该项目主要负责人，对发现点1、2、3均有重要贡献，具体****
1. 龚旗煌，第一完成人，教授，中国科学院院士，单位北京大学，项目总负责，围绕有机发光材料及器件结构、介观光子结构的设计及发光机理研究提出了指导性意见，对重要科学发现中所列的第1，2，3项作出了创造性贡献，是代表作［1］，［3-8］的通讯作者。
2.肖立新，第二完成人，教授，单位北京大学，负责高效蓝色发光及电子传输材料的设计与制备，解决了宽能带蓝光中的载流子传输平衡问题，实现了近100%的内量子效率蓝色发光，为高效蓝光器件的设计开辟了新途径。对重要科学发现中所列的1，2项作出了创造性贡献，是代表性论文【1-6】的通讯作者。
3.陈志坚，第三完成人，教授，单位北京大学，研究介观光子结构对激子辐射和能量模式分布的影响，设计与制备了可适用于顶发射OLED的介观结构，提高了器件出光效率。对重要科学发现中所列的1,3项做出了创造性贡献，是代表性论文【7】的通讯作者，代表性论文【1，3-6】的重要作者。
4. 王树峰，第四完成人，副教授，单位北京大学，采用超快光谱方法研究发光分子聚集态的瞬态动力学，揭示了空间扭曲立体结构对激子行为，电荷迁移及其复合过程的影响规律，为OLED材料及器件设计提供了支撑。对重要科学发现中所列的第2项作出了创造性贡献，是代表性论文[8]的通讯作者。
5. 曲波，第五完成人，副教授，单位北京大学，参与有机发光器件结构优化及器件机理研究，对重要科学发现中所列第2项作出了重要贡献，是代表性论文【1,3,4,6】的主要作者。






完成人合作关系说明：
龚旗煌项目总负责及指导，肖立新负责材料方面的设计与合成，陈志坚负责器件方面的设计与制备，王树峰负责材料机理方面的研究，曲波协助材料及器件制备方面的工作。
龚旗煌负责国家自然科学基金创新群体项目：“飞秒光物理与介观光学研究”（11121091，10821062），肖立新，陈志坚，王树峰，曲波是其中骨干成员。
肖立新，陈志坚，曲波共同承担科技部重大研究计划项目课题：“有机光电转换器件中金属／介质纳米异质结构的应用研究”（2009CB930504）；
肖立新，陈志坚，曲波，龚旗煌共同发表代表性论文【1,3,4,6】
肖立新，陈志坚，龚旗煌共同发表代表性论文【5,7】
王树峰，龚旗煌共同发表代表性论文【8】