南京邮电大学陈润锋教授课题组近年来重要工作概览

陈润锋教授简介

陈润锋，南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院/材料科学与工程学院教授、博士生导师、副院长、有机电子研究所所长，江苏省杰出青年基金获得者、江苏省“333高层次人才培养工程”——第二层次培养对象、江苏省六大高峰人才、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。1995年至2002年在同济大学材料学院先后获得高分子材料科学学士和硕士学位，2002年至2003年在中国科学院上海有机所做研究工作，2006年在复旦大学获得物理化学专业理学博士学位，师从黄维院士；2006年任职于南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院/材料科学与工程学院。

陈润锋教授主持国家及省部级项目10余项，主要研究方向为有机电子材料与器件，涉及化学、材料、物理等多学科交叉，科研成果先后在Nature子刊（Nat. Mater.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.）、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等国内外重要的学术刊物上发表论文170余篇，多篇论文被评为高被引论文，并先后获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖（排名第2）、国家自然科学奖二等奖（排名第4）、江苏省教育教学与研究成果奖一等奖（排名第1）、江苏省科学技术奖二等奖（排名第1）。

陈润锋教授专注于光电材料的结构调控及其在高性能、多功能光电信息显示器件的应用研究，提出了通过杂原子与共轭结构的协同作用调控有机材料光电性能的学术思想，利用杂原子协同修饰作用解决有机光电材料的激发态和聚集态结构理性设计问题，建立了有机材料光电功能“动态调控”的新概念，开创了了一系列具有动态自适应独立调控功能的有机光电分子、室温超长磷光寿命（秒级）的纯有机长余辉材料等，在有机电致发光二极管（OLED）、化学/生物传感器、太阳能电池、数据加密与信息防伪等应用中取得了功能和性能的突破。本文选取陈润锋教授课题组近五年来的相关文章来介绍陈润锋教授的主要研究工作。

一、有机超长室温磷光材料的设计、开发与应用

有机半导体的光电行为本质上由激发态及其演变决定，但是激发态高度活泼，寿命往往仅有几个毫秒（三线态）甚至几个纳秒（单线态），如何有效调控有机光电材料的激发态寿命及其演变过程是有机光电子学研究的重点和难点。

作为国际上有机长余辉发光的开拓者，陈润锋教授课题组将单分子电子结构与聚集体堆积结构调控相结合，通过杂原子修饰构建高效的系间窜越通道，利用H聚集体抑制非辐射跃迁、稳定三线态激发态等，解决了有机分子激发态寿命调控的难题，使得纯有机化合物在室温条件下光致发光寿命延长至1.35秒（可持续发光56秒），并实现了多种材料体系、多种颜色长寿命发光的室温磷光（有机长余辉）材料（图1），开创了单组分纯有机超长磷光材料的研究以及有机光电材料在数据加密与防伪领域应用的先河（Nat. Mater., 2015, 14, 685, Hot paper, ESI 高被引论文），目前有机超长磷光材料已入选化学与材料领域Top 10热点前沿。

图1. 世界首个有机夜明珠材料及其在数据加密中的应用

在此基础上，创造性地提出通过调控单/三线态能级差以及三线态激子的陷阱深度，将稳定三线态激发态（T₁*）上的激子转移到最低三线激发态（T₁）并再将T₁态激子转化为单线激发态（S₁），使得有机长余辉发光成为自旋允许，实现了室温下同时观察到来自S₁，T₁和T₁*的荧光、磷光和余辉三种模式的超长发光特性，有机余辉的发光效率提高至45%，这是迄今为止报道的最高有机长余辉效率（Nat. Commun., 2020, 11, 842）。

图2. 热活化三线态激子释放实现高效率的三模式有机长余辉

进一步地，利用活性主体进行三重激发态敏化和用水进行基质固化的通用策略。主体材料氰尿酸（CA）和客体苯甲酸衍生物之间可以形成丰富的氢键作用，能够有效抑制发光猝灭和非辐射跃迁过程。且CA具有很强的自旋轨道耦合来产生三重态激子，并传输给客体增强发光亮度。将均苯三甲酸以5‰的质量比掺入CA中后，得到的混合物实现长达1.13 s的发光寿命和9.3%的磷光量子产率。加水后体系的氢键网络得到进一步加固，余辉寿命和磷光量子产率分别提高到1.67 s和46.1%，这是迄今为止报道的最佳有机长余辉性能之一（Nat. Commun., 2020, 11, 4802）。

图3. 高效深蓝光有机超长磷光材料的制备、机理及应用

作为国际上有机长余辉发光的开拓者，陈润锋教授团队一直致力于对有机长余辉发光新材料的开发、机理的研究以及新应用的探索，在Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Mater., Chem. Sci., Mater. Horiz., Angew. Chem. Int. Ed.等顶级国际期刊相继发表了一系列重要研究工作。相关工作被Nat. Commun.等期刊大篇幅引用，被科学网等以“世界首个有机光电材料夜明珠”为题进行报道。陈润锋教授先后受邀在“Sci. Bull., 2015, 19, 1631”、“《中国科学基金》，2016, 4, 325,”和“Adv. Mater., 2016, 28, 9920，ESI 高被引论文”发表综述论文，受邀撰写专著“Long Afterglow Phosphorescent Materials (ISSN 2192-1091)”。

二、智能有机光电功能材料的设计与应用

智能材料是近年来兴起并迅速发展的一个新领域，智能材料最大的特点是对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化的方式对外界变化做出恰如其分的响应。

受智能材料这一性能特点启发，陈润锋教授团队构建了杂原子共振结构，该结构能响应器件运行环境的变化、自主调节其激发态结构，实现在不改变基态光电特性的情况下，选择性地提高电子传输性能及载流子注入和传输的自适应动态平衡。据此研制出的N-P=O共振材料，其真空蒸镀蓝色磷光OLED器件启亮电压仅为2.4 V、最大外量子效率（EQE）高达16.7%（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 10491）；旋涂型蓝光和白光OLED的EQE分别达到16.5%和14.7%，更得益于此动态自调节作用，器件表现出优异的稳定性，亮度为1000 cd m^-2时，效率衰减可仅为0.7%，是最稳定的蓝光OLED器件之一（Adv. Mater., 2015, 27, 6939）；进一步地，利用硫原子的 3p 孤对电子以及P=S弱的分子极性和吸电子能力，增强共振调节能力，基于 N-P=S 共振分子的蓝光OLED最大EQE提高到了21.7%，白光OLED具有标准的白光色坐标（0.33, 0.39）、EQE为16.4%，达到国际同期最高水准（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 9655）；基于N-P=Se共振结构的含硒光电分子，由于其快速的动态自调节，表现出高灵敏度和高选择性的Turn-on型HClO荧光传感特性，检测极限达到nM级别（Chem. Commun., 2018, 54, 2926）；共振结构独特的动态自适应性显著增强了自旋耦合效应和单-三线态系间窜越，提高了三线态激子浓度，解决了长期以来有机长余辉寿命和效率不能同时提高的矛盾，并以此构筑了一种新型的时间以及颜色分辨的多级二维码，实现了图像信息的动态加密与多通道防伪（Adv. Mater., 2018, 30, 1803856）；最近，开发了基于N-C=O工作的有机小分子，其蓝光OLED器件最大EQE达到31%，是目前国际器件效率最高记录之一（Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/ D0MH01252A）。

图4. 智能有机光电功能材料的设计及其应用

三、新概念有机光电材料的设计、合成与应用

有机半导体具有优异的结构和性能可修饰性，引入杂原子可有效改善、增强乃至拓展材料功能和器件应用。但是，如何高效、便捷地在有机体系中引入杂原子是一个难题，阐明杂原子与有机共轭体系的相互作用模式和光电功能的调控机制也是设计杂原子修饰有机光电材料的核心关键。

陈润锋教授团队在国际上较早地将杂原子修饰策略引入有机光电子材料领域，并证明这是获得高性能、多功能有机光电材料的普适性手段，在基础理论、实验制备、分子设计概念、材料器件应用等诸多方面展开了系统的创新性研究，实现了对有机材料电子结构、激子行为和光电功能的理性调控，有效解决了有机光电材料设计和应用的许多固有难题，为新概念、新功能有机半导体乃至有机光电子领域的深入发展开辟了新的方向。

陈润锋教授团队从理论上首次量化了前线轨道的重叠程度和分离距离，揭示了单/三线态的跃迁本质及旋轨耦合与分子结构的关联，为有机分子系间窜越的理性调控提供了依据（Sci. Rep., 2017, 7, 6225; Sci. Rep., 2015, 5, 10923）；提出了软共轭的概念，利用杂原子间的弱相互作用使分子平面化同样可以产生优异的光电性能，解决了有机共轭分子光电功能和加工性能的内在矛盾（J. Phy. Chem. Lett., 2016, 7, 3609）。在实验上发展了引入杂原子的一系列合成制备新方法，为研究杂原子修饰有机光电材料及器件奠定了材料基础；提出了杂原子不对称修饰理念，克服了给-受体分子固有的能隙较窄、难以蓝光发射等难题，用作主体材料时蓝色磷光OLED器件呈现低驱动电压（2.5 V）、高EQE（~20%）（Adv. Sci., 2018, 5, 1800292）；设计基于N-Si键的新型硅修饰有机光电材料，提高了热稳定性和电学性能，用作主体材料时，蓝光OLED获得了较高的EQE（>24%）、发光亮度及器件稳定性（J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 10047）；提出了理想主体材料设计思路，制备了具有较小三线态激子形成截面的主体材料，蓝光OLED的EQE高达20.7%（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 7274）；制备了首例溶液加工型手性热活化延迟荧光（TADF）器件，外量子效率高达10.6％，不对称因子达到3.9×10^-3 （J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 14511）；构建非键S-π作用选择性增强有机半导体的电学性能，蓝色磷光OLED外量子效率达到20.8％（Chem. Eng. J., 2020, 380, 122562）；设计具有多个d轨道参与的σ-π共轭主体材料，溶液加工型深蓝色磷光器件的最大EQE高达23.5%，这是迄今为止报道FIr6基蓝光器件的最优结果之一（Adv. Opt. Mater., 2019, 7, 1901124）。

图5. 杂原子修饰的新策略及其高性能应用

四、钙钛矿材料的制备及其器件应用

钙钛矿作为一种新型直接带隙离子型半导体材料，凭借着优异的光电性质，吸引了全世界来自化学、物理、材料和信息等学科的科学家对其进行探索，并展示了其在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等光电领域重要的应用前景，受到广泛关注。遗憾的是，如何制备高质量的钙钛矿纳米、薄膜材料、提高效率和稳定性的工作还充满挑战。

陈润锋教授团队将少量三异丙氧基钒氧化物溶于异丙醇中，并掺入PEDOT:PSS溶液中低温退火原位构建了基于PEDOT:PSS/PEDOT:PSS-VO_x的梯度异质结的空穴传输层。该结构能有效地降低空穴传输层与钙钛矿层的能级势垒、促进电荷分离和提高电荷提取效率，从而将倒置的钙钛矿太阳能电池的V_oc提升到1.02 V，光电转换效率升到18.0%，同时电池器件稳定性也大幅度提高，为构建高效且稳定的倒置钙钛矿电池的梯度空穴传输层提供了重要指导（Nano Energy, 2020, 67, 104244）。进一步地，陈润锋教授团队采用CuSCN NH₃[aq] 掺杂的PEDOT:PSS溶液，旋涂后120 ℃低温退火形成一种复合的空穴传输层（PEDOT:PSS-CuSCN），该空穴传输层能够显著降低能级势垒、改善激子提取效率并显著提高钙钛矿薄膜的晶粒尺寸，倒置钙钛矿电池效率能够从13.5%提升到15.3%，开路电压也提升到了1.02 V，并且在相同的储备条件中基于PEDOT:PSS-CuSCN的器件比对比件（PEDOT:PSS）稳定性提高了两倍（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 206, 110316）。

针对钙钛矿活性层的缺陷结构，陈润锋教授团队提出采用含有多个钝化功能基团的吡啶二甲酸（PDA）有机固体分子进行复合修复，该新型钝化剂不仅能够有效修复钙钛矿晶体表面的离子缺陷，同时还能够借助多功能基团的物理交联作用实现晶界缺陷的修复。经过PDA钝化处理后，基于MAPbI₃体系的倒置钙钛矿光伏器件效率由初始的16.43%提高到接近19%，在惰性环境下放置1300 h以上，器件效率依然能够维持在初始性能的90%以上（Solar RRL, 2020, DOI: 10.1002/solr.202000481）。

图6. 梯度异质结的空穴传输层制备过程及相应的J-V曲线图。

在全无机金属卤化物钙钛矿方面，陈润锋教授团队选择一系列无毒廉价的卤化物作为前驱体，通过阴离子交换反应，制备了一系列单分散CsPbX₃ (X = Cl, Br, I) 纳米晶的可控合成，实现了从紫外光区到可见光区以及近红外区的全波段光谱调控，并从卤化物键能的角度对阴离子交换反应做了系统研究（J. Phys. Chem. C., 2019, 123, 24313）。在此基础上，发明了一种两相阴离子交换法，成功制备一系列高效率、发光颜色可调、稳定性较好的CsPbX₃纳米晶，其中，具有蓝紫光发射的CsPbCl₃纳米晶的量子效率达到95%以上，无机卤化物作为前驱体成功合成了高浓度的CsPbX₃纳米晶（J. Mater. Chem. C, 2020, DOI: 10.1039/D0TC03602A）。为了进一步提高CsPbX₃纳米晶的稳定性，将吸附了Cs⁺离子的层状类材料如蒙脱土、高岭土等层状类材料作为CsPbX₃纳米晶的前驱体，表面原位制备了从蓝光到绿光到红光的CsPbX₃纳米晶，层状类材料对CsPbX₃纳米晶的锚定作用避免了小尺寸效应导致的团聚，提高了CsPbX₃纳米晶的稳定性，材料的最大的量子效率在73%左右，并制备了显色指数较好、发光效率较高的白光器件（Adv. Opt. Mater., 2020, 8, 1901485）。此外，陈润锋教授团队对关于包覆提高无机钙钛矿纳米晶性能的工作进行了系统综述（Adv. Mater., 2019, 31, 1900682）。

以上为陈润锋教授课题组近年来具有代表性的工作成果，其他更多详细信息请参考该课题组网站或发邮件至iamrfchen@njupt.edu.cn进一步讨论。此外，该课题组欢迎有志于科研，并对其研究方向感兴趣的同学联系报考硕士/博士以及博士后岗位。

陈润锋教授课题组成员

陈润锋

https://www.x-mol.com/university/faculty/26813

课题组网站

http://iam.njupt.edu.cn/2015/0909/c12306a74908/page.htm