固態(tài)照明的新型半導(dǎo)體材料

固態(tài)照明（SSL）技術(shù)由于其在節(jié)能和減少環(huán)境污染方面的優(yōu)勢(shì)，正逐漸取代傳統(tǒng)的照明光源。因此，開(kāi)發(fā)可應(yīng)用在SSL設(shè)備的高性能發(fā)光材料成為近十年來(lái)的一個(gè)非常熱門(mén)的研究方向。這些發(fā)光材料可作為發(fā)光二極管（LEDs）或有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）的熒光粉或發(fā)射層。本綜述簡(jiǎn)要總結(jié)了近年來(lái)不同種類(lèi)的具有優(yōu)越發(fā)光性能的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化半導(dǎo)體材料最新研究進(jìn)展，并探討其在節(jié)能發(fā)光照明領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

研究背景：

近年來(lái)，能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)新能源材料成為材料研究的重點(diǎn)。提高能源效率的最有效方法是用更高效的替代品取代傳統(tǒng)的高能耗技術(shù)。用于照明的固態(tài)照明（SSL）技術(shù)，包括發(fā)光二極管（LED）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），比傳統(tǒng)照明設(shè)備的效率和壽命要高得多。由于通用照明在全球能源消耗中占有相當(dāng)大的比重，SSL在照明和顯示行業(yè)掀起了一場(chǎng)革命，被廣泛認(rèn)為是未來(lái)的照明技術(shù)。熒光材料是LED和OLED不可缺少發(fā)光部件。目前商業(yè)化的熒光材料有多種，但其普遍含有稀土金屬元素。稀土元素的開(kāi)采和提煉，尤其是在利益的驅(qū)使下出現(xiàn)大量非法開(kāi)采對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的損害，同時(shí)也存在著巨大的安全隱患。由于這些原因，開(kāi)發(fā)新型的性能更優(yōu)越的發(fā)光照明材料仍具有重要意義。

無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化半導(dǎo)體材料是一類(lèi)由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)配體通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合形成的從零維到三維的雜化結(jié)構(gòu)。由于這類(lèi)雜化材料結(jié)構(gòu)中既有無(wú)機(jī)組分也有有機(jī)組分，因此其不僅具有原無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料所具有的光、電、磁等性能，也兼具了有機(jī)組分的柔性、可溶性和可調(diào)節(jié)性等。此外，通過(guò)無(wú)機(jī)組分和有機(jī)組分的融合這類(lèi)半導(dǎo)體材料又會(huì)衍生出新的性能。在過(guò)去的幾十年里，多個(gè)雜化半導(dǎo)體材料體系被開(kāi)發(fā)，其光電性能不斷的被發(fā)掘，已成為太陽(yáng)能電池和節(jié)能照明領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（圖1）。其中很多材料有望發(fā)展成為商業(yè)化熒光材料的無(wú)稀土元素的替代品而應(yīng)用于固態(tài)節(jié)能照明領(lǐng)域。

圖1.無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化半導(dǎo)體材料及其在新能源領(lǐng)域應(yīng)用示意圖

內(nèi)容簡(jiǎn)介：

1.綜述了近年來(lái)一些重要的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化熒光半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展

無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化半導(dǎo)體材料很早就有報(bào)道且種類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣?；谄錈o(wú)機(jī)組分的不同，可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單直接的分類(lèi)。本文主要介紹五類(lèi)基于二元無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的雜化材料，它們是基于（1）IB-VIA，（2）IIB-VIA，（3）IB-VIIA，（4）IVA-VIIA，and（5）VA-VIIA族半導(dǎo)體的雜化材料。這五大類(lèi)中一些具有代表性的雜化材料在本文中被詳細(xì)介紹，并對(duì)其光物理性質(zhì)進(jìn)行了歸納總結(jié)，展示其在節(jié)能照明領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖2.無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料發(fā)展的重要里程。

2.討論了無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化熒光半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略和發(fā)光機(jī)理

本文總結(jié)了無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化熒光半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)合成策略，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)水熱、溶劑熱方法的改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)這類(lèi)材料的可控性合成和綠色合成。同時(shí)深入探討了無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)與發(fā)光性能之間的構(gòu)效關(guān)系，討論了材料的優(yōu)化改性設(shè)計(jì)策略和發(fā)光機(jī)理。針對(duì)不同類(lèi)型的雜化材料，總結(jié)多種對(duì)雜化材料進(jìn)行優(yōu)化改性的方法和技術(shù)，以提高這類(lèi)材料發(fā)光效能和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)器件的使用壽命。

3.無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化熒光半導(dǎo)體材料研究展望

雖然雜化材料中部分成員表現(xiàn)出非常卓越的發(fā)光性能，但它們商業(yè)化熒光粉相比依舊存在著差距。設(shè)計(jì)和合成新一代照明材料仍然是一項(xiàng)非常重要但具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一種理想的照明材料應(yīng)該是由地球上儲(chǔ)量豐富且價(jià)格低廉的元素組成，接近100%的量子效率和極高的穩(wěn)定性。由于目前的白光熒光粉通常會(huì)發(fā)出“冷”白光，因此對(duì)高效的紅光材料的需求不斷增加。將理論研究與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來(lái)，是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高性能雜化熒光粉材料的重要手段。

作者簡(jiǎn)介：

劉威

副教授，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院霍夫曼先進(jìn)材料研究院

教育背景

2010-2017美國(guó)羅格斯新澤西州立大學(xué)博士

2006-2010南京大學(xué)學(xué)士

研究方向以及成就

劉威副教授本科畢業(yè)于南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，隨后在美國(guó)新澤西州立羅格斯大學(xué)獲得博士學(xué)位，指導(dǎo)教授為李靜教授?，F(xiàn)就職于深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院霍夫曼先進(jìn)材料研究院。他多年來(lái)一直從事有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化半導(dǎo)體材料的研究及其在新能源與清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)工作先后發(fā)表在J.Am.Chem.Soc.、Adv.Funct.Mater.、J.Mater.Chem.C等雜志上。

李靜

教授，美國(guó)羅格斯新澤西州立大學(xué)，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院霍夫曼先進(jìn)材料研究院

教育背景

1984-1989美國(guó)康奈爾大學(xué)博士

研究方向以及成就

李靜教授現(xiàn)任美國(guó)新澤西州立羅格斯大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系資深終身教授，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院霍夫曼先進(jìn)材料研究院院長(zhǎng)。她1984-1989年在康奈爾大學(xué)師從霍夫曼教授（1981年諾貝爾化學(xué)家得主）獲得博士學(xué)位，1989-1991年在康奈爾大學(xué)的Francis J.DiSalvo教授（美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士）指導(dǎo)下進(jìn)行博士后研究工作。1991年開(kāi)始在羅格斯大學(xué)化學(xué)系任教至今。她1995年獲得美國(guó)總統(tǒng)教授獎(jiǎng)，2008年受聘教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”講座教授，2012年獲得美國(guó)能源部頒發(fā)的首屆清潔能源創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，并入選2012年美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)會(huì)員，2013年獲得德國(guó)洪堡基金會(huì)的洪堡研究獎(jiǎng)（Humboldt Research Award），2015年入選皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員（FRSC），主要研究方向?yàn)樾滦投喙δ軐?dǎo)電發(fā)光材料和微孔材料及在節(jié)能LED、太陽(yáng)能電池、氣體吸附分離捕捉和化學(xué)傳感方面的應(yīng)用，迄今發(fā)表學(xué)術(shù)論文340余篇，并擁有14項(xiàng)專(zhuān)利。