记“分子材料与器件的制备和性能研究”创新群体

2010-12-01 09:09 来源: 科学时报
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  分子材料和器件主要探讨共轭有机、高分子的设计与合成,研究其聚集态结构、分子之间相互作用,光电磁物理性质及相关现象、制备器件并研究其性能,既具有重要的科学意义又有广阔的应用前景。

  在人们的传统印象中,有机化合物包括高分子聚合物是不导电的。但是,研究发现共轭有机、高分子在固态下具有导电性;美国和日本的3位科学家在1977年首次发现导电聚合物,他们亦因此获得2000年诺贝尔化学奖。不仅是导电性能,分子材料在光、磁等物理性质方面也表现出特异行为,而且分子材料在器件应用方面也展现出诱人的前景。目前,有机发光二极管已经部分实现商品化,有机薄膜太阳能电池的能量转换效率在逐渐提高,有机场效应晶体管的迁移率已经接近多晶硅,有望在多种驱动电路中得到应用。通过对分子材料和器件的深入研究,“能像报纸一样卷起来放进背包的柔性显示器”等梦想都有可能在不远的将来得以实现。运用纳米等技术,研究分子纳米结构和物理性质,探索分子尺度的器件也取得重要进展。

  发达国家纷纷制定了专门针对分子材料和器件研究的重大研究计划。多个世界著名学府,如美国康奈尔大学、普林斯顿大学,英国剑桥大学,日本东京大学等都先后成立专门的研究机构开展分子材料和器件的研发。荷兰飞利浦,美国朗讯、惠普,韩国三星,日本索尼等知名跨国企业也都纷纷在该研究领域投入巨资,以期在分子电子工业中抢占制高点。

  我国在这个领域的研究工作也得到了快速的发展,科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门都先后启动了一系列针对分子材料和器件的发展计划。我国相关学科的科学家也围绕其中的基本科学问题和重大应用开展了大量研究工作。

  中国科学院化学研究所“分子材料与器件的制备和性能研究”创新研究群体,围绕分子材料和器件研究中的关键科学问题展开了深入研究,取得了大量具有重要创新意义的研究成果,部分成果已达到国际领先水平,受到国内外同行的广泛关注。

  组建多学科交叉创新团队

  分子材料和分子器件研究涉及物理、化学、电子学、信息学和材料学等多学科,是多学科前沿交叉研究领域。这就需要各个学科的研究人员紧密协作,特别是分子设计的理论研究、分子合成与器件制备之间的有效结合,才能凝练出关键的科学问题,发展新的实验方法和理论,归纳出基本规律。

  “因此,在组织群体时,我们强调群体成员应该具备化学、材料、器件物理和理论物理等多学科的专业背景,具有从事分子材料和器件类多学科交叉研究的经验。”该创新研究群体负责人张德清说。

  张德清指出,群体的研究工作主要是在分子材料和器件的前沿领域,开展分子材料的设计、合成与组装、分子器件制备以及相关理论三方面研究。三个方面的研究相互联系、紧密结合,每个方面的研究重点不同,彼此有分工但又相互交叉,形成了有机的一体。分子材料研究是群体整体研究工作的基础,而新颖纳米结构的构筑和特性研究则是分子材料研究的深入;理论研究为分子材料的设计提供理论指导,有助于对一些特殊现象和性能的认识,并进行理论归纳;分子器件研究是在分子材料和理论研究基础上进行的,是群体研究工作的集成。三个方面的研究相辅相成,在研究工作中需要广泛的内部合作才能完成。

  因此,整个群体内部积极倡导团结协作的精神,创造宽松的研究氛围,建立良好的管理制度。充分发挥群体成员的积极性和创造力,通过开展不定期的学术交流,加强群体成员之间的交叉和合作。定期对项目的进展进行总结和交流,并对项目的下一步发展方向提出合理的建议,根据项目的重要研究目标随时调整工作的重点,保证了整个研究的前瞻性和重要性。在仪器配置等方面提倡资源共享,合理高效使用。对于研究中遇到的问题群策群力,互相帮助,促进了研究工作的开展,在相互协作基础上自然形成了一个具有创新性、思想活跃的研究群体。

  在过去近六年中,群体成员之间通过开展实质性合作,合作发表研究论文100余篇,特别是实验和理论方面的合作研究效果明显,联合开展研究和整体创新能力得到进一步提升。

  在2005年至2010年间,群体通过中科院“百人计划”项目引进青年人才2人,另有5位群体成员先后获得国家杰出青年基金支持,形成了多学科交叉和创新研究能力强的研究团队。

  取得一批创新性研究成果

  化学家最擅长和最关注的应该是创造新的物质。

  进入21世纪以来,化学家开始更多地关注分子体系的功能化,即将具有特殊功能(如光、电、磁等特性)的分子体系制备为分子材料,并应用于发展分子器件。随着纳米技术的出现,分子材料和器件的研究得到快速发展,新一代功能材料更是研究热点中的热点。

  张德清说:“设计、合成综合性能优良和具有自主知识产权的新型分子材料,研究其相关的物理、化学过程和基本的物理化学特性,发展分子器件构筑新技术,推动分子材料在器件中的应用是群体研究工作的重点。”

  群体的研究工作取得了大量创新性研究成果。

  以光电功能和器件为目标,创新分子设计思想,发展新的合成方法,制备了新型—共轭分子体系,得到高迁移率有机半导体、宽吸收有机共轭聚合物和高发光效率的共轭高分子,并在此基础上构筑了高性能的有机场效应晶体管、有机光伏打电池。

  设计、合成了新型的水溶性共轭聚合物,利用其强的光捕获能力这一特殊的光物理性质,发展了基于共轭聚合物的高灵敏、高选择性新型生物传感体系,将为若干重大疾病的早期诊断提供新的原理和方法。

  运用分子组装的原理和纳米技术发展新方法,制备了有机—共轭分子的纳米结构,实现了对其纳米结构和性能的调控,并探索形成纳米结构的规律;另一方面,通过改变生长条件,成功制备了具有新颖结构的碳纳米管、石墨烯,开展这些纳米结构的电学性能研究,构筑纳米器件。研究有机纳米结构表面的特殊浸润性质,实现对表面亲疏水性能的可逆调控,利用此性能成功地制备了仿生智能离子通道,并将其应用到新原理光电能量转换体系中。

  设计、合成了一系列双稳态有机功能分子,构建了分子开关,并与中科院物理所、瑞士苏黎世理工学院等合作伙伴研究了其在信息存储方面的应用,实现高密度信息存储。

  开展分子材料和器件的理论研究,建立预测有机共轭分子发光性质和有机半导体迁移率的新方法。

  这些,只是他们群体工作的一个方面。

  此外,“分子材料与器件的制备和性能研究”创新群体在依托单位中科院化学所和国家有关部门的大力支持下,建立了分子器件研究平台,为群体开展创新性研究,冲击国际前沿提供了技术保障和支持。

  仅在近6年期间,群体就发表研究论文751篇,包括在二级学科的重要期刊发表论文419篇,其中的29篇还作为封面文章发表。群体成员中25人次应邀担任各个国内外学术期刊的编委、顾问编委,并有45人次被邀请撰写综述文章。群体成员获得3项国家自然科学奖二等奖(其中1项与其他团队合作),获得1项北京市科学技术奖一等奖。

  群体成员江雷研究员于2009年当选为中国科学院院士,帅志刚研究员于2008年当选为国际量子分子科学院院士,宋延林研究员获得2009年第十一届中国青年科技奖,胡文平研究员获得2009年度中国化学会—英国皇家化学会青年化学家奖,王树研究员获得2006年度中国化学会青年化学奖。

  展望未来,“分子材料与器件的制备和性能研究”创新群体将在现有工作的基础上,围绕综合性能优良的分子材料的设计、制备与光电器件的构建,分子材料纳米结构的可控制备和性能研究,以及纳米/分子器件研究中的新原理、新概念等方面的内容开展研究。针对该领域的前沿和发展趋势,继续坚持分子体系的设计、合成到组装和纳米结构再到分子器件这一研究主线,深入开展相关研究,提高分子材料和分子器件的创新研究水平。