研究进展汇总:黄维院士与他的研究团队


人物简介

黄维,男,汉族,1963年5月出生,中共党员,中国科学院院士,俄罗斯科学院外籍院士,中国有机电子学与柔性电子学的主要奠基者 ,西北工业大学博士生导师、教授,中国国家杰出青年科学基金获得者,中国“千人计划”国家特聘专家,中国教育部“长江学者”特聘教授,中国国家“973计划”项目首席科学家。1992年1月,黄维博士毕业于北京大学并留校任教;1993年12月,赴新加坡做博士后研究;2006年6月,担任南京邮电大学副校长;2012年7月,担任南京工业大学校长;2017年6月,担任西北工业大学党委常委、常务副校长。
 
黄维院士的主要研究领域为纳米材料与技术和有机电子与器件等,为了大家了解他和研究团队近年的科研成果,材料人做了一个汇总,方便大家阅读。

发表的研究成果:

1.论文:动态共振有机长余辉材料

南京邮电大学的黄维院士陈润锋教授课题组(共同通讯)继2015年首次报道有机长余辉材料(Nat. Mater. 2015, 14, 685)之后,利用共振结构独特的动态自适应性,有效地调整自身结构,从而实现对材料的基态、激发态能级以及跃迁成份的调控,开发了两种具有N-P=O/N-P=S结构的新型长余辉材料。通过理论计算研究表明,与具有N-P结构的分子相比,基于N-P=O/N-P=S共振结构的分子具有可调节的单线态—三线态能级,可有效地减小实时的单线态—三线态能级差(Real-time ΔEST)以及动态可调的跃迁成份,因此具有更多的系间窜越通道以及显著增强的自选轨道耦合效应,可有效地促进系间窜越(Intersystem Crossing, ISC)的发生,从而获得高的三线态激子浓度。其次,利用分子中引入的相对平面的共轭结构,构筑有效的H聚集(H-aggregates),稳定高度活泼的三线态激子,继而实现高的余辉发光效率以及长的发光寿命。开发的余辉材料最长寿命为0.67 s,系间窜越速率高达107 s-1,发光效率为4.0%,这一结果突破了余辉材料寿命和效率不能同时提高的矛盾问题。这一成果近期发表在Advanced Materials (10.1002/adma.201803856)上,并被选为当期的内封面,文章的第一作者是南京邮电大学博士毕业生陶冶。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803856

2.论文:取向准二维钙钛矿用于高性能光电器件

南京工业大学黄维院士、王建浦教授(共同通讯作者)等利用3-溴苯甲胺碘(3BBAI)制备了高效且水稳定的准二维钙钛矿太阳能电池,其功率转换效率(PCE)达18.20 %,并在Adv. Mater.上发表了题为“Oriented Quasi-2D Perovskites for High Performance Optoelectronic Devices”的研究论文,博士研究生杨荣和李仁志副研究员为共同第一作者。未封装器件在相对湿度40%的大气环境放置2400 h后,效率仍保持初始值的82%以上,并且浸入水中60 s后光伏参数几乎不变。钙钛矿太阳能电池的优越性能应归因于具有疏水性、高度电子有序性、高结晶度的准二维钙钛矿薄膜。该薄膜上层是高度取向生长的三维钙钛矿组分,其较小的带隙和低的激子束缚能可实现低能太阳光子利用和高效电荷分离,而薄膜底部是竖直生长的宽带隙钙钛矿组分,有利于实现高效的电荷传输。此外,由于抑制了非辐射复合,该器件也能作为发光二极管(LED)很好的工作,可达3.85 %。大气环境下,未封装器件在200 mA·cm-2的高电流密度下工作寿命约96 h。

文献链接:Oriented Quasi-2D Perovskites for High Performance Optoelectronic Devices (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804771)

3.论文:基于自发形成的亚微米级结构的钙钛矿发光二极管

南京工业大学黄维院士(目前单位西北工业大学)王建浦教授(共同通讯作者)团队的带领下,与浙江大学南京邮电大学西北工业大学合作,展示了溶液加工的钙钛矿的高效和高亮度电致发光,自发形成亚微米级结构,它能有效地从器件中提取光,并保持与波长和视角无关的电致发光。这些钙钛矿是通过在钙钛矿前驱体溶液中加入氨基酸添加剂而形成的。此外,添加剂可有效钝化钙钛矿表面缺陷并减少非辐射复合。钙钛矿LED具有20.7%的峰值外量子效率(电流密度为18mA/cm2),能量转换效率为12%(在10mA/cm2的高电流密度下),接近性能最佳的有机LED的价值。相关成果以题为“Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures”发表在了Nature上。

文献链接Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures(Nature,2018,DOI:10.1038/s41586-018-0576-2)

4.论文:通过分子自组装增强超长有机磷光材料的发光效率和磷光寿命

南京工业大学黄维院士安众福教授(共同通讯)通过三聚氰胺和芳香羧基在水溶液中的自组装制备了超长有机磷光材料。通过多种分子间相互作用形成的超分子框架,可以构建刚性很强的三维网络将原子固定在其中,在有效减少三线态电子非辐射跃迁的同时,促进系间窜越。所获得超分子有机框架可实现长达1.91秒的发光寿命和24.3%的磷光量子效率。该成果以题为"Simultaneously Enhancing Efficiency and Lifetime of Ultralong Organic Phosphorescence Materials by Molecular Self-assembly"发表在J. Am. Chem. Soc.上。

文献链接:

Simultaneously Enhancing Efficiency and Lifetime of Ultralong Organic Phosphorescence Materials by Molecular Self-assembly

 (J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10. 1021/jacs.8b03867)

5.论文:铅卤化物钙钛矿在电致发光的新进展

新加坡南洋理工大学的岑子健教授南京工业大学的黄维教授(共同通讯作者)近日在NATURE COMMUNICATIONS上发表了题为Transcending the slow bimolecular recombination in lead-halide perovskites for electroluminescence的文章,报到了他们在铅卤化物钙钛矿上的最新进展。从微观载流子动力学角度清晰阐明了常规金属卤化物钙钛矿材料运用在发光二极管中存在的发光效率瓶颈。通过飞秒超快光谱研究,提出如何通过调控钙钛矿的维度来克服这个机理上的瓶颈,从而实现高效率的钙钛矿发光二极管。该研究成果为实现高效低成本的新型钙钛矿发光二极管奠定了理论基础。

原文链接:Transcending the slow bimolecular recombination in lead-halide perovskites for electroluminescence(Nat. Commun., 2017,Doi:10.1038/ncomms14558)

6.论文:通过分子层内π-π相互作用构建氢键有机芳香骨架用于获得超长磷光

南京工业大学黄维院士安众福课题组,通过分内子层π-π相互作用成功构建出具有不同孔径的氢键有机芳香骨架(HOAFs)。所制备的HOAFs首次在室温空气中实现了超长有机磷光发光,也就是有机长余辉发光。其中,PhTCz-1的黄色荧光寿命达79.8 ms,在停止激发后可观察到持续几秒长余辉发光。而PhTCz-2和PhTCz-3,由于氧气的猝灭作用,其长余辉现象只能在氮气中观察到,鉴于此特性可被用来检测氧气。该工作拓展了无金属有机磷光材料的体系。同时,该类新型的HOAFS材料还有高的热分解温度,这也为设计新型高温稳定的HOFs提供了新的思路。该成果以题为"Hydrogen-Bonded Organic Aromatic Frameworks for Ultralong Phosphorescence by Intralayer π-π Interactions"发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

文献链接:Hydrogen-Bonded Organic Aromatic Frameworks for Ultralong Phosphorescence by Intralayer π-π Interactions. (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201800697)

7.论文:用于多色喷墨可复用纸中的活性金属配体配合物的研究

西北工业大学黄维院士南京邮电大学赵强教授(共同通讯作者)在Nat. Commun.上发表了题为“Dynamic metal-ligand coordination for multicolour and water-jet rewritable paper”的文章。研究并探讨了如何利用动态金属配体相互作用的可逆性来实现可擦写纸的制备,并突破了目前的限制。研究了含有三联吡啶配体的聚合物薄膜在滤纸上的涂层,其上可以使用不同的金属盐水溶液(MSAS)作为可与配体配位的油墨重复涂覆多色图像,结果发现打印的图片可以保留6个月以上,用四丁基氟化铵(TBAF)可以方便地擦除金属 - 配体配位键。通过将水响应型发光锌络合物引入成像层中,制造了另一种可以通过使用纯水作为墨水来记录信息的可复写纸张,水是一种绿色资源,因此开发水喷印可擦写纸具有重要意义,此应用将是实现具有长保留时间的多色水喷印的有希望的方法。

文献链接:Dynamic metal-ligand coordination for multicolour and water-jet rewritable paper(Nat. Commun., 2017,DOI: 10.1038/s41467-017-02452-w)

8.论文:无后处理、无掺杂二芳基芴类纳米分子作为柔性p-i-n型钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料

南京工业大学黄维教授(通讯作者)等人在Nano Energy 上发表题为“Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells”的文章。研究团队设计了两组二芳基芴类HTM,TPA或者9-NPC作为链臂,C8或者C6Cz为侧链,分别命名为MC8-TPA, MC8-9-NPC,MC6Cz-TPA和MC6Cz-9-NPC。这些材料在普通有机溶剂中有很好的溶解性,旋涂而成的薄膜界面光滑,疏水性好,在ITO上不需后续热处理即表现完全结晶态。在二芳基芴类HTM上制备的钙钛矿薄膜比在PEDOT:PSS上的晶粒更大,约为300nm。器件的最高效率达到13.85%,柔性钙钛矿电池最高效率为9.09%。

文献链接:Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells(Nano Energy,2017,DIO:10.1016/j.nanoen.2018.01.005)

9.论文:沾上水能发光的二维柔性显示器

南京工业大学黄维院士,北京大学深圳研究院孟鸿教授和德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授(共同通讯作者不区分顺序)等人研究了一种基于极化电极桥接的柔性显示器,构建了利用光信号的远距离感应器。该研究发表于 Advanced Materials, 题为 “Polar-Electrode-Bridged Electroluminescent Displays: 2D Sensors Remotely Communicating Optically”。研究人员设计了一种新型结构的发光器件,这种器件主要由四个部分构成,分别是,一对平行叠加或者并排分布的电极,发光层,介电层以及一个可调控的电极层。通过选择不同的极化材料或者导电薄膜,实现了该电极层的可控。这种新型结构不仅简单,利于大规模制造,更为重要的是,与传统意义上的发光器件相比,一对相反的电极不再是互相堆叠,而是并排分布。正是由于这种结构上的优势,研究者们设计出了不同种类的器件。例如,将这种柔性材料安装在雨伞上,当水落在雨伞上,雨伞就会发光,这也为构建利用光信号变化的远程探测器提供了可能。

文献链接:Polar-Electrode-Bridged Electroluminescent Displays: 2D Sensors Remotely Communicating Optically(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703552)

10.论文:通过调节分子间相互作用实现可见光激发的超长有机磷光

南京工业大学黄维院士和安众福研究员(共同通讯作者)使用简明的化学方法,在可见光照射下的固体中,通过调节分子序列来获得明亮的UOP,例如手机手电筒。通过掺入卤素原子调节分子间相互作用,激发光谱表现出明显的红移。经过H聚集的UOP,具有8.3%的高磷光效率和0.84s的寿命。在肉眼可以识别的0.32 mcd m -2的亮度内,UOP总共可持续104秒。鉴于这些特点,超长的有机磷光材料可被用于双重数据的加密和解密。此外,通过聚合物基质封装在水溶液中分散的UOP纳米颗粒,并且研究了它们在生物成像中的应用。这一结果将为无金属有机磷光材料及其应用铺路。该成果以“Visible-Light-Excited Ultralong Organic Phosphorescence by Manipulating Intermolecular Interactions”为题于2017年7月17日发表在期刊Advanced Materials上。

文献链接:Cai S, Shi H, Li J, et al. Visible‐Light‐Excited Ultralong Organic Phosphorescence by Manipulating Intermolecular Interactions[J]. Advanced Materials, 2017.

11.论文:利用相互扩散辅助复合二维MOF和Ti3C2Tx纳米薄片用于电催化析氧反应

ACS Nano 刊登了一篇题为“Interdiffusion Reaction-Assisted Hybridization of Two-Dimensional Metal−Organic Frameworks and Ti3C2Tx Nanosheets for Electrocatalytic Oxygen Evolution”的文章,报道了南京邮电大学李绍周教授、南京工业大学黄维教授、黄晓教授(共同通讯作者)等人,运用内部扩散相辅助的过程原位合成CoBDC,并将Ti3C2Tx 纳米片与之复合。将得到的复合材料应用于电化学析氧反应(OER)中,在0.1M KOH的电解液下,相对于可逆氢电极在1.64V电势下能达到电流密度为10mA cm2 及塔菲尔斜率为48.2mV dec-1。这些性能超出那些基于 IrO2的催化剂甚至比此前报道的更先进的基于过渡金属的催化剂。由于CoBDC层提供多孔结构和较大的活性表面积且Ti3C2Tx纳米片的优良的电导性和亲水性使得电荷和离子在复合得到的Ti3C2Tx−CoBDC界面上快速传递。同时也便于水性电解液接近催化的活性CoBDC表面。这种纳米薄片进一步组装到空气阴极形成可充电的锌-空气电池,并成功带动LED发光。

文献链接:Interdiffusion Reaction-Assisted Hybridization of Two-Dimensional Metal−Organic Frameworks and Ti3C2Tx Nanosheets for Electrocatalytic Oxygen Evolution(ACS Nano,  2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01409)

12.论文:一种高效的红光LED-基于湿法加工的多量子阱钙钛矿材料

来自南京工业大学的黄维和王建浦(共同通讯作者)用一种简单可扩展的方法成功制备出了纯红光高效钙钛矿发光器件,大大推动了有机金属卤化物钙钛矿发光二极管的应用。

研究人员把无机小阳离子Cs引入到多量子阱结构的钙钛矿薄膜中,从而制备出纯红光高效钙钛矿发光器件。多量子势阱结构不仅有利于立方CsPbBr3钙钛矿结构在低温下的建立,还能够让Cs基多量子势阱提供纯净稳定的红色电致发光。这种通用的制备多量子势阱钙钛矿材料的方法,能够让控制发