Frontier Science8有机光电材料研究进展与发展趋势◆邱勇(清华大学，北京100084）摘要：本文综述了有机光电材料的研究进展，及其在有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机太阳电池、有机传感器和有机存储器等领域的应用；介绍了清华大学在有机发光技术方面取得的进展。

关键词：有机光电材料，有机发光二极管，有机场效应晶体管，有机太阳电池中图分类号：O62; O484 文献标识码：A0 前言有机光电材料是一类具有光电活性的有机材料，广泛应用于有机发光二极管、有机晶体管、有机太阳能电池、有机存储器等领域。

有机光电材料通常是富含碳原子、具有大π共轭体系的有机分子，分为小分子和聚合物两类。

与无机材料相比，有机光电材料可以通过溶液法实现大面积制备和柔性器件制备。

此外，有机材料具有多样化的结构组成和宽广的性能调节空间，可以进行分子设计来获得所需要的性能，能够进行自组装等自下而上的器件组装方式来制备纳米器件和分子器件。

有机光电材料与器件的发展也带动了有机光电子学的发展。

有机光电子学是跨化学、信息、材料、物理的一门新型的交叉学科。

材料化学在有机电子学的发展中扮演着一个至关重要的角色，而有机电子学未来面临的一系列挑战也都有待材料化学研究者们去攻克。

1 有机发光二极管有机电致发光的研究工作始于20纪60年代[1]，但直到1987年柯达公司的邓青云等人采用多层膜结构，才首次得到了高量子效率、高发光效率、高亮度和低驱动电压的有机发光二极管（O LE D）[2]。

这一突破性进展使OLED 成为发光器件研究的热点。

与传统的发光和显示技术相比较，OLED 具有驱动电压低、体积小、重量轻、材料种类丰富等优点，而且容易实现大面积制备、湿法制备以及柔性器件的制备。

近年来，OLED 技术飞速发展。

2001 年，索尼公司研制成功13英寸全彩OLED 显示器，证明了OLED 可以用于大型平板显示；2002 年，日本三洋公司与美国柯达公司联合推出了采用有源驱动OLED 显示的数码相机，标志着OLED 的产业化又迈出了坚实的一步；2007 年，日本索尼公司推出了11英寸的OLED 彩色电视机，率先实现OLED 在中大尺寸、特别是在电视领域的应用收稿日期：2010-7-2 修订日期：2010-8-25作者简介：邱勇（1964-），男，清华大学教授、博士生导师，清华大学党委常委、副校长，“国家杰出青年科学基金”获得者，长江学者特聘教授，有机光电子与分子工程教育部重点实验室主任，国家“十一五”863“新型平板显示技术”重大项目总体专家组组长。

长期从事有机光电材料、器件及产业化相关研究工作。

Frontier Science9突破。

图 1 各大公司和研究机构展示的最新开发的 O LE D样品（自左至右：美国 GE ，大面积白光光源；韩国三星，大 面积超薄平板显示；日本先锋，柔性显示器；德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会，透明 O LE D ）除了在显示领域的应用，白光 OLED 作为一种新型的固态光源也得到了广泛关注。

2006 年， 柯尼卡美能达技术中心开发成功了 1000 c d /m 2 初始亮度下发光效率 64 l m /W 、亮度半衰期约 1 万小时的 OLED 白色发光器件，展示了 OLED 在 大面积平板照明领域的前景。

目前 W O L ED 最高 效率的报道来自德国 L e o 教授的研究组[3]，他们采 用红绿蓝三种磷光染料，并采用高折射率的玻璃基板提高光取出效率，得到了 1000 cd/m 2 下效率 124 l m /W 的白光器件，效率超过了荧光灯。

叠层式 OLED 的概念是由 K i do 教授于 2003 年首先提出的，将多个 OLED 通过透明的连接层 串联在一起，可以在小电流下实现高亮度，器件的 寿命也大幅度提高[4]。

2004 年，廖良生与邓青云等 人[5]利用 n 型和 p 型掺杂的 A l q 3:L i /N BP :F e C l 3 结 构作为连接层，在堆叠的周期数目为 3 时实现了 130 cd/A 的 高 效 率 。

2008 年 ， 廖 良 生 报 道HA T - C N /A l q 3:L i 的连接层可进一步降低驱动电压，并提高了器件的稳定性，使得叠层器件达到了可实用化的水平[6]。

总体来看，未来 OLED 的方向是发展高效率、高亮度、长寿命、低成本的白光器件和全彩色显示器件，开发高性能可湿法制备的小分子 OLED 材料是降低成本的关键。

高稳定性的柔性 OLED 能 充分体现有机光电器件的特点，但相关基板技术、 封装技术都是亟待解决的问题。

2 有机晶体管材料和器件有机晶体管材料是一类具有富含碳原子、具 有大 π 共轭体系的有机分子。

按照传输载流子电荷的类型可以分为 p 型和 n 型半导体。

并五苯是目前在有机晶体管（OTFT ）中应用 最广的有机半导体材料，其薄膜的载流子迁移率 可以达到 1.5 c m 2/V s [7]。

对并五苯分子进行修饰是 目前有机半导体研究的一个重点。

2003 年 M e ng 等人[8]制备了 2, 3, 9, 10- 四甲基取代并五苯，它 的晶体排列与并五苯几乎一样，但是由于甲基的 引入，显著降低了分子的氧化电位，改善了从金电 极到有机半导体的电荷注入。

2009 年，美国 P o l ye ra 公司的 Y a n 等开发了新型的基于萘二甲 酰亚胺（n a p h th a l e n e - d i ca rb o xi m i d e ）和北二甲 酰亚胺（p e ryl e n e d i ca rb o xi m i d e ）的聚合物，电子 迁移率高达 0.85 c m 2/V s ，该聚合物弥补了目前 n 型有机半导体材料的空白 [9]。

在 2010 年的 S I D 上，索尼发布了一款 4.1 寸 O T F T 驱动全彩 O L ED 屏，该屏幕厚度只有 80 μm ，具备极强的柔软度， 可轻松缠绕在半径为 4mm 的圆柱体上。

索尼独自 开发了新型 O T F T 有机薄膜晶体管，它使用的有机 半导体材料为 p e ri - X a n t h e no xa n th e n e 衍生物[10]， 该晶体管的驱动力达到先前传统 O T F T 的八倍。

相对于多晶薄膜晶体管，有机单晶晶体管具有更高的载流子迁移率，可以满足高端领域的需求。

近年来，随着有机单晶制备技术的提高，在单晶晶体管研究方面出现了一系列新的突破。

目前采用红荧烯制备的单晶晶体管，载流子迁移率超过 15 c m 2/V s ，优于传统的无机半导体多晶硅的水平。

2006 年，鲍哲南等人[11]成功的制备了并五苯 和红荧烯的单晶阵列，并在此基础上组装了晶体管器件。

他们首先采用印章法，在 S i /S i O 2 基底上Frontier Science10··制备一层图案化的十八烷基氯硅烷(O T S)，然后在此基底上采用真空蒸镀的方法制备并五苯、红荧烯、C60等有机半导体。

采用这种方法制备的晶体管器件阵列，并五苯的载流子迁移率为0.2 c m2/V，开关电流比为106；红荧烯的载流子迁移率为2.4c m2/V s，开关电流比为106。

3 有机太阳能电池的发展与无机硅太阳能电池的光电转换效率相比[12]，有机太阳能电池的光转换效率仍停留在比较低的水平上。

因此，有机太阳能电池的研究核心是提高电池的光电转换效率。

通过设计合理的器件结构、改善界面形貌、提高聚合物晶化程度等方法，有机太阳能电池的光电转换效率有了很大的提高。

为了更有效的利用太阳光中的红外部分，目前对窄带隙聚合物有机半导体的研究也开始引起人们的关注，成为有机太阳能电池的一个新的热点，通过采用苯并二噻吩类窄带隙聚合物，UCLA 的Y a ngY a ng小组实现了光电转换效率超过7 %的有机太阳能电池[13]。

1991年，G r a tz e l[14]提出了一种新型的使用羧酸联吡啶钌（Ⅱ）配合物敏化二氧化钛多孔纳米光阳极的光伏电池—染料敏化太阳能电池（D ye S e n s iti ze d S o l a r C e ll，D SS C），为光电化学电池的发展带来了革命性的创新。

染料敏化太阳能电池当前的最高效率是11.04%[15]，仍有大幅度提高的余地。

4 有机传感器基于有机晶体管的有机传感器可以广泛的应用于化学和生物领域，用来检测化学物质和生物大分子。

相比于传统的传感器，有机晶体管传感器的优点在于体积小、易于实现阵列化、便于携带、价格低廉。

此外，有机晶体管传感器的响应信号通常是电流信号，便于测试。

与其他化学传感器相比，有机晶体管传感器的优点还在于能够提供更多的电学信息，例如有机薄膜的电导率、场效应电导率、阈值电压、场效应迁移率等。

从待测物的形态来分，可以把有机晶体管传感器分为两类，即气体传感器和液体传感器。

未来有机晶体管传感器的发展是进一步提高器件的响应速度、检出限以及稳定性。

随着有机晶体管技术的发展，尤其是柔性化、阵列化、图案化技术的不断进步，有机晶体管传感器也将随之发展，有望实现柔性传感器[16]和多种样品同时在线分析，成为名符其实的“电子鼻”。

5 有机存储器对于某种特定材料的薄膜，两边加电压，当场强达到一定值时，器件可能由绝缘态(0)转为导电态(1)。

通过某种刺激（如反向电场、电流脉冲、光或热等)）又可使器件由1 态恢复到0 态。

这种器件被称之为开关器件。

当外加电场消失时，0 或1状态能够稳定存在，即具有记忆特性，成为存储器件。

相对于传统的硅存储器，有机存储器有着易加工、低成本、可做成大面积、可制备柔性器件、可实现三维存储（高存储容量）等诸多优点。

2005年Y a ng等人[17]发现有机薄膜的纳米粒子间电荷转移引起的电导率突变也可用于存储。

以聚苯乙烯作为主体，掺入6,6-苯基- 碳61-丁酸甲脂(P C BM)作为电子受体、四硫富瓦烯(TT F)作为电子给体，通过甩膜制备成二极管器件。

对器件施加从0到2.6 V的电压，在2.6 V附近，电流从10-7 A迅速升高到10-4 A，即从低电导态（关）升高到高电导态（开）。

转变之后，器件保持在高电导态，实现了信息的写入。

通过施加一个较高的电压，电流从10-4 A降低到10-6 A，可以擦去写入的信息。

同基于晶体管结构的三极有机存储器相比，二极存储器具有结构简单、易于集成、能够充分发挥有机材料特点等优势，因而二极有机储存器将Frontier Science11图 2 OLED 透明显示点阵产品图 3 基于不锈钢衬底的柔性器件有可能成为今后发展的主流。

有机存储器的另一个发展趋势是与纳米技术相结合，实现纳米器件 乃至分子器件的组装，提高存储密度。