光电器件是指可将光能转化为电能,或电能转化为光能的器件,是光电子技术的关键和核心组成部分,是现代光电微电子学技术的前沿研究领域,也是信息技术的重要组成部分。在光电子领域,发光材料可以发挥各种用途。在大多数情况下,发光材料是在固态下利用的。因此,需要材料在固态下具有良好的光学性质。然而传统的发光材料一般具有大平面的共轭结构,导致分子在聚集态或固态下容易在分子间形成强的 π-π 堆积相互作用,最终面临着 “聚集导致发光猝灭”(ACQ)问题,制约了材料在光电领域的应用。
2001年,唐本忠院士提出了 “聚集诱导发光”(AIE)概念,为设计和开发新型高效率的固态发光材料提供了思路。与ACQ材料不同,AIE材料在聚集态或固态下具有很高的发光效率,部分材料甚至接近100%。AIE材料分子结构容易修饰,可通过分子设计获得多光色发光的材料。目前,AIE材料已用于构筑全色系和白光有机发光二极管(OLEDs)并取得了良好的效果。基于AIE材料优异的光电性质,具有AIE性质的电致发光材料表现出良好的商业化前景。
图1 AIE材料在有机发光二极管中的应用示例
AIE 分子除了在 OLED 器件中有广泛的应用外,在有机场效应晶体管(OFETs)、光波导材料及器件,有机圆偏振发光材料及器件,液晶材料及器件,有机太阳能集光器等方面均表现出良好的应用前景。
1)在OFETs的应用方面,利用OFETs器件的结构特性,将AIE材料作为发光层,结合AIE材料高效固态发光的优势,可将器件制成新型电流调控的发光器件。与传统的OFETs材料相比,展现出高效的器件效率和发光效率。
图2 AIE材料在有机场效应晶体管中的应用示例
2)在光波导材料的应用方面,AIE 分子由于其制作工艺简单,易修饰,光损耗小等优点,成为光波导领域的热门课题。基于AIE材料的光波导材料其发光覆盖范围广,减小了光在长距离信号传输中的光损耗,是性质优异的光波导材料。
图3 AIE材料在有机场效应晶体管中的应用示例
3)构造有机圆偏振发光分子,常用的策略是在分子外围构造手性基团,在核心构造平面共轭发光部分,随后通过堆积作用或自组装形成螺旋结构。因此,聚集态的性质对材料的CPL发光性质至关重要。而具有AIE性质的手性分子能克服传统发光分子在聚集态下的ACQ效应,在聚集状态下依然保持了高效的发光和手性信号,是性质优异的CPL材料。
图4 AIE材料在有机圆偏振发光材料中的应用示例
4)在液晶材料的应用方面,传统材料在聚集形成晶态过程中很难保持其发光性质。与此相反,AIE材料在聚集过程中会限制其非辐射跃迁,提高发光效率,因此其适用于构造高效的液晶材料。
图5 AIE材料在液晶材料中的应用示例
5)在有机太阳能集光器的应用方面,器件需要加入下转换发光材料层来拓宽有机太阳能集光器的光谱响应范围。但传统材料由于ACQ效应的影响导致效率低下。具有AIE性质的下转换发光材料为解决此问题提供了方案,新型AIE材料在太阳能电池中展示出良好的应用效果。
图6 AIE材料在有机太阳能集光器中的应用示例
AIE材料在光电中的应用众多,在此不一一例举。AIE材料为解决传统发光材料在不同光电应用中所面临的问题提供了诸多解决方案,同时AIE材料也促进了新型光电应用的开发,为光电材料的发展提供了新机遇。Together we shine,united we soar!期望大家投身于目前世界上为数不多的、由华人学者提出和引领的原创性概念之一的AIE研究领域,克服发展中的挑战,把握机遇,加深对光物理的认识,创新基于光的技术和材料!