美国芝加哥大学教授，是《麻省理工科技评论》2020 年度全球“35 岁以下科技创新 35 人”榜单的上榜人物，其研究柔性电子材料和器件已有多年。

【资料图】

近日，该团队提出了基于新型发光机理的聚合物分子设计策略，通过在聚合物主链的热致延迟荧光单元之间嵌入软烷基链，得到了可以高效发光的聚合物，其可以拉伸到超过原始尺寸的两倍，在此基础之上还能保持高达 10% 的外量子效率。据了解，该聚合物可以用于可折叠手机和可伸缩显示器。

（来源：Nature Materials）

据了解，本次策略基于热致延迟荧光（TADF，Thermally activated delayed fluorescence）的原理，既能显著提高热致延迟荧光的拉伸性，同时也不牺牲其发光性能，并能保持较高的稳定度。

课题组表示：“我们希望这项成果能在 5-10 年之内被用于可穿戴显示器比如可折叠手机，当然也有望用于可伸缩显示屏。更重要的是，基于这种发光材料的发光器件，还可以用于医学成像、光学传感器、光遗传学研究、以及需要光刺激的疾病治疗等。”

研究人员认为该成果在可拉伸电致发光领域打开了一个全新空间，也借此开启了一条新赛道。本次研究证明：在聚合物主链上加入烷基链的策略不会影响其发光性能。所以其内量子效率理论上可以达到 100%。

在新手村慢慢打怪练级，一路披荆斩棘开垦荒地

当前，人们对于可穿戴器件和可植入器件的需求正在不断增加，对于可拉伸电致发光材料与器件的需求也随之增大。

相对其他的可拉伸器件比如各种传感器、晶体管等，电致发光器件所需要的材料，在之前并未同时实现高拉伸性和高电致发光效率。

在已经得到报道的可拉伸电致发光器件中，其所利用的发光材料在机理上决定了它们不可能实现较高的发光效率。

早期的可拉伸发光器件，都是基于传统刚性无机 LED 或者 OLED 材料，辅以力学工程设计来实现可拉伸的性能，而这往往会牺牲分辨率和可视化效果。

最近几年，本征可拉伸的发光器件陆续面世。然而，这些器件所用到的发光材料，都是基于传统的第一代荧光发光机理的发光材料，因此 这类材料只能用单重态激子进行发光。

根据量子统计力学，在 OLED 中电能会转化为单重态激子和三重态两种激子，其比例为 1:3。所以，第一代荧光发光材料只能实现 25% 的内量子效率。而目前最先进的可拉伸器件的内量子效率，其理论上线只有 25%。

而第二代磷光材料和第三代热致延迟荧光材料，都可以利用单重态和三重态这两种激子进行发光，所以理论上它们都可以实现 100% 的内量子效率。

但是，制备第二代磷光材料时一般会引入重金属，不仅成本较高，而且对于生物体和环境的友好度较低。

而第三代热致延迟荧光材料是纯有机的材料，由于成本比较低，因此是用于生物领域的理想型发光材料。

在此之前，还没有任何基于第二代或第三代热致延迟荧光的可拉伸发光材料的报道。甚至对于如何把第一代材料设计成可拉伸的材料都鲜有报道。

之前基于第一代发光高分子聚合物的可拉伸发光器件，都是通过一些物理方法来实现可拉伸性能，比如和其他弹性聚合物混合或加入一些塑化剂。

（来源：Nature Materials）

为了实现更好的器件性能，该团队开展了本次研究。担任相关论文第一作者的刘伟表示：“2019 年 4 月，我刚加入老师团队之后就开始着手这个项目。打个比方，就像刚刚创建了一个新手游戏账号，在新手村慢慢打怪练级，一路披荆斩棘开垦荒地。我相信，有朝一日我们也能通关地狱级别的难度，练成满级账号、成为江湖大侠。”

如何设计、并合成兼具高拉伸性和高发光效率的高分子聚合物，是他们面临的第一个难题；而如何在此基础之上开发高性能的可拉伸 OLED 器件则是第二个难题。

事实上，课题立项之后没多久，他们就做出了第一支基于热致延迟荧光的可拉伸聚合物，但是表征结果显示当时的发光效率并不是很高。

正如他们一开始所预想的，实现可拉伸的发光聚合物并不是很难，难的是如何在实现可拉伸的同时实现高效的发光效率。

刘伟说：“曾有一段时间我的同事们也认为这几乎是不可能的。但是我们没有放弃，继续啃读文献、思考策略，期间王思师也一直鼓励和给建议。”

最终，他们提出了前面提到的材料设计策略，借此制备出一种基于热致延迟荧光的可拉伸聚合物，它可以同时实现高可拉伸性和高效发光的特性。

（来源：Nature Materials）

为了扩大这项工作的影响力，他们决定基于上述聚合物研发全可拉伸的 OLED 器件。

“我们早期尝试了一些方法，做出来的器件性能都非常差。老师鼓励我说：‘你做不出来，说明别人也没那么容易做出来，这就是机会，所谓机遇与挑战并存。’最终，我们克服重重困难，成功研发了基于热致延迟荧光聚合物的全可拉伸 OLED 器件。至此，我们才真正完成本次课题。”刘伟说。

最终，相关论文以《基于热激活延迟荧光的高效可拉伸发光聚合物》（）为题发在 Nature Materials 上，刘伟是第一作者，芝加哥大学胡安·德·巴勃罗（）教授和教授担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

不过，这款发光材料的效率、发光色纯度、发光颜色和亮度等仍有提升空间。以及对于可拉伸的发光策略来说，还需要继续对其加以丰富，以满足不同器件的设计需求。

另外，由于 OLED 的结构比较复杂，它由好几层具有不同功能的材料组成，因此对于实现高效率的器件来说，发展其他的功能性可拉伸材料也至关重要。

在器件层面，还需要在不同界面之间开展更深入的研究，以加强器件性能与稳定性。同时，整个器件的封装都需要继续完善。

“基于这些问题，我们正在进行后续研究。也希望能有不同背景的研究人员一起加入这个学科交叉型领域中，早日实现该技术的商用化。”刘伟说。

（来源：Nature Materials）

辗转中日美，深耕热致延迟荧光发光材料

对于刘伟来讲，能在 Nature Materials 发表这篇论文，也将给他未来的科研之路打下基础。

图 | 刘伟（来源：刘伟）

据介绍，其本科时考入海南大学食品科学与工程专业，后对材料专业产生浓厚兴趣，大二时转入该校的高分子材料与工程专业。

他说：“该专业是海南大学的特色专业，前身为热作两院。它旨在打破当时西方国家对于国内橡胶技术的封锁。大三时，我被选派到中国台湾中文文化大学交流一个学期。由于我对科研非常感兴趣，大四时我加入中科院北京理化所张晓宏老师课题组组，完成了本科的毕业设计。”

本科毕业后，刘伟被保送至北京理工大学材料科学与工程专业攻读直博。他说：“读博期间，我一直跟随张晓宏老师先后在北京理化所和苏州大学功能纳米与软物质学院开展科研工作。”

整个博士生涯中，他一直聚焦于研究第三代基于热致延迟荧光机制的 OLED 发光材料研究。因此，他一直对热致延迟荧光的创始人——日本九州大学安达千波矢（Chihaya Adachi）教授充满敬仰之情。

念念不忘，必有回响。“幸运的是，我在博士四年级时获得了中国留学基金委的资助，参加了海外联合培养博士生项目，在 Chihaya Adachi 教授的组里交流学习了一年。博士毕业之后，我来到芝加哥大学团队担任博士后。在此期间，我还与阿贡美国国家实验室签署了子合同，主导一项阿贡实验室的科研项目。目前，我正在寻找合适的国内职位。”刘伟表示。