4.1 有机光电功能半导体分子材料研究背景
有机光电功能半导体分子材料是以结构和光电性能可设计的有机半导体分子为基础的材料体系，是材料科学研究的前沿方向。近年来，随着材料体系的不断发展，由此构建的有机电路在柔性显示、仿生电子皮肤、仿生视觉系统、仿生神经系统等领域展现了巨大的应用潜力，已然成为构建柔性电子器件的重要功能体系之一，为电子学的发展带来全新的机遇。本报告特选出我国有机光电功能半导体分子材料在以下几个领域的科技前沿热点进行评述（图4-1）：有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）、有机太阳能电池（OPV）、有机热电（OTE）、有机自旋器件（OSV）。
图4-1 基于有机光电功能半导体分子材料的功能器件
4.1.1 OLED
自从1987年邓青云等首次报道了基于具有双层夹心结构的OLED以来，OLED得到了大量的研究和快速发展[1]。高性能有机发光分子材料的研究发展使得基于有机材料的显示和照明设备性能相比无机材料展现出明显的优势，如广色域、低功耗、高显色指数、柔性等尤其在先进显示技术（如：柔性显示、VR等）领域的潜在应用价值日益受到人们的关注。随着OLED光电材料、生产工艺和封装技术的快速发展，许多公司也逐步推进OLED的产业化应用。2012—2013年，Samsung、LG Display、Sony、Panasonic等相继发布大尺寸（55～77英寸）AMOLED电视。近年来，超薄玻璃、薄膜封装、分形设计等新技术的应用使得AMOLED逐渐朝着柔性化的方向发展。2018年，Samsung正式将折叠屏幕搭载于Galaxy Fold智能手机上，实现了折叠屏幕的商业化应用，华为也在同年发布了基于折叠屏幕的Mate X。有机光电功能分子材料及柔性电子技术的发展必将使得OLED在可卷曲、可穿戴电子器件领域引领未来的研究和商业化发展。
4.1.2 OFET
自1986年Tsumura等[2]报道第一个基于聚噻吩的OFET器件以来，有机半导体分子材料得到了快速发展并取得了重大突破。其中，P型聚合物半导体的性能已经超过了20cm2·V−1·s−1，电子迁移率普遍低于5cm2·V−1·s−1。基于有机高分子材料的OFET器件具有质轻、成本低、可用溶液法加工、柔韧性好、功能易调节等独特优势。作为电子器件的基本元件，在传感器寻址、信号读出和放大等发挥着重要作用，是构建柔性电子器件的理想载体之一。基于有机高分子材料的前沿应用已经拓展到有机近红外探测器、可拉伸OFET、OFET驱动AMOLED电路、生物检测等，从而推动柔性电子学特别是可卷曲、可穿戴电子器件的发展，该领域得到了学术界和工业界的广泛关注。
4.1.3 OPV
以硅为代表的无机太阳能电池从20世纪50年代开始取得了巨大的成果且已经实现了商业化，其光电转化效率从6%提升到了26.3%[3]，但是硅太阳能电池在制备过程中存在工艺复杂、设备昂贵、生产成本高等缺点，限制了硅太阳能电池大规模商业化。OPV由于具有价格低廉、质量轻便、容易加工、可柔性化等优势引起了广大研究学者的极大兴趣（图4-2）。Weinberger等[4，5]在1982年以聚乙炔为半导体分子材料制备了第一个聚合物OPV，对于OPV的发展具有里程碑意义。1986年，Tang等[6]利用酞青铜作为给体和芘作为受体材料首次制备了双层结构的有机太阳能电池，实现了光电转化效率1%的突破。进入到21世纪后，OPV光电转换效率实现了飞速提升。Sariciftci等人[7]在2003年首次将聚三己基噻吩（P3HT）/［6,6］-苯基-C61-丁酸异甲酯（PCBM）退火后作为活性层用于制备有机太阳能电池，实现了光电转化效率从0.4%到3.5%的提升。2015年占肖卫等[8]发明了ITIC类非富勒烯电子受体，极大地推动了OPV的发展，目前单结OPV验证效率已经超过17%[9]。
图4-2 北京大学占肖卫团队展示半透明OPV研究进展（图源自http：//www.polymer.cn/sci/kjxw13960.html）
4.1.4 OTE
能源和环境问题是人类社会目前面临的重大挑战。太阳能、风能、潮汐能、核能等绿色可再生能源的开发利用得到了广泛的关注。其中热能以多种形式存在，如太阳辐射、工业废热、人体热等，将这些热能转化为电能，将更好地优化能源转化结构，在一定程度上缓解能源危机。热电效应是能够实现热能和电能相互转化的物理效应，主要包括塞贝克效应和帕尔贴效应。1821年德国科学家塞贝克（Seebeck）发现，当材料中的载流子在温差驱动下从高温端向低温端移动时会产生电势差，实现热能向电能的转换，这种现象称为塞贝克效应（Seebeck Effect）。随后，1834年法国科学家Peltier发现了帕尔贴效应（Peltier Effect）可以将电能直接转化为热能，从而实现热电制冷。自20世纪50年代窄带隙无机半导体得到迅猛发展以来，以碲化铋（Bi2Te3）、碲化铅（PbTe）等为代表的无机热电材料的性能大幅提升，热电优值已超过2.0。近年来，伴随着柔性电子学的蓬勃发展，有机热电分子材料展现出来源丰富、质量轻、成本低、可用溶液法加工等优点；更为重要的是该类材料具有低的热导率，在中低温发电等方面具有显著优势，已经成为热电材料组成的重要补充。
4.1.5 OSV
高信息存储密度、高信息集成程度、高信息传输速度等是目前信息大爆发时代的重要发展目标，自旋电子学在高密度信息存储领域显示出了巨大的应用潜力。1988年法国的Chazelas等[10]通过制备基于［Fe（d1）/Cr（d2）］60交替结构的多层膜器件在巨磁阻效应领域取得了开创性的研究结果。随后，德国的Zinn等[11]通过研究基于Fe/Cr/Fe三层膜器件结构的磁阻效应，也发现了由铁磁性的材料层和非磁性的材料层交替生长制备的器件具有巨磁阻效应。因在“巨磁电阻效应”这一全新物理机制方面的重大发现，二人共同获得2007年的诺贝尔物理学奖。对比无机材料而言，有机半导体分子材料通常由原子序数Z较小的轻元素碳、氢、氧、氮、硫组成，而自旋轨道耦合耦合与Z4成正比，因此有机半导体分子材料具有较弱的自旋轨道耦合作用，被认为是具有优势的自旋输运载体。2004年Xiong等[12]应用有机小分子8-羟基喹啉铝（Alq3）作为自旋传输层，制备了第一个基于有机小分子的OSV器件，并在10K低温下观测到40%的磁电阻MR响应，该项工作开启了有机自旋电子学这一极具潜力的研究领域。近年来，科研工作者根据有机半导体分子材料本身具有的优异的自旋输运特性和光电功能特性，就如何实现室温可工作自旋阀器件和器件多功能性等方面展开了大量研究并取得了一系列的显著进展。