近红外聚合物的设计、合成及其光电特性

通过构筑单元的设计、合成和高分子化，得到一系列新型近红外聚合物光子材料。在揭示材料加工形成过程与分子结构本身及其形态之间相关联的本质特性的同时，制备出发射波长大于1000纳米的纯近红外发光二极管、在光通讯单波段具有较高的综合性能指标的近红外光伏探测器件。重点研究并拟解决材料和器件方面存在的以下关键科学问题：1）导致近红外聚合物发光效率低和近红外区吸收系数小的原因；2）由聚合物结构的形态等引起的光电物理性质多变的难预知性；3）对近红外聚合物器件中的载流子传输以及光子输运过程的可控性。本项目的实施将拓宽有机光子新学科，为新一代光子材料、光电子器件和光子技术的发展提供新的机遇。

该项目在基金委的支持下，针对有机近红外光子材料与器件领域存在的一些基本科学问题，如近红外发光材料发光效率低，近红外光伏材料能量转化效率或探测度较低等问题，开展了三个方面的研究工作。第一个方面为利用聚积诱导发光增强效应，将噻咯与四苯乙烯等结构单元通过合适的方式引入到给受体型分子中，构筑窄带隙的发光分子，利用聚积诱导发光增强效应，使该类分子在固态下的发光不会由于聚积而淬灭。并在合成工作的基础上，制备了非掺杂型的近红外发光器件，器件的发光波长范围涵盖700-1100 nm的近红外光区，最大发光峰位于883 nm，最高外量子效率可达0.89%，最大光辐射量为2917 mW/Sr/m2，这些性能指标优于文献报道的其他非掺杂型近红外电致发光器件。在这部分工作中，我们还开发出了波长范围在700-1700nm可调的近红外化学发光材料以及有望取代PEDOT:PSS体系作为发光器件中空穴注入缓冲层材料的纯单层氧化石墨烯衍生物。第二个方面主要是开发近红外光伏材料，特别是近红外光探测器材料与器件。在这部分，我们开发出了一种二氮杂并环戊二烯结构单元，并将其引入到给受体型的分子结构中，获得了一类窄带隙的有机/聚合物材料。将该类材料与PCBM共混后作为探测器的活性层，器件在-0.1 V的偏压下，在800 nm处的外量子效率为4.0%，探测度为1.6×10E11Jones。另外，我们还制备出了一类能用于透明器件的紫外-可见-近红外全光探测的材料，首次得到了可见光透明的全光谱响应的光电探测器，由其制备的器件从300到900 nm的归一化探测度都维持在10E11-10E12 Jones，同时其在可见光区（400-700 nm）的平均透明度为45% （540 nm处最大透明度为51%）。第三个方面的研究工作主要是近红外区的变色材料，包括电致变色、酸致变色以及热致变色。在电致变色方面，开发出了一类可溶的噻吩并咪唑类萘/苝四羧酸二酰亚胺盘状化合物，该类材料良好的加工性、成膜性、近红外吸收性以及可见与近红外光区的电致变色性使其在可调光学衰减器等器件中具有实用价值。在酸致以及热致变色材料方面，在开发的含DAP结构功能分子的基础上，利用DAP结构能被可逆的质子化这一特性，获得了一类在近红外光区具有酸致变色、热致变色性能的多功能材料。通过该项目的研究，累计发表SCI论文12篇，培养博士研究生5名，已经毕业3名。