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和有机光电为伴
本刊记者 刘婉茹
2016年5月,德国达姆施塔特——全球领先的科技公司默克集团在“2016 SID显示周（SID Display Week2016）”上展示一系列面向未来应用的材料.有机发光二极管（OLED）材料赫然在列,这些材料以“完美像素（T h ePerfect Pixel）”为口号,可提高显示器的分辨率、增强对比度、提高能效、增强色彩强度,并有助于降低制造成本.OLED已悄然成为现代智能手机和智能手表等可穿戴设备必不可少的一部分.正在开发中的透明和可弯曲OLED显示器展示了其未来潜力.谢国华在科研之路上把握住的,便是这炙手可热的有机光电材料和器件.
初识有机光电
谢国华,武汉大学化学与分子科学学院副教授,有机/高分子光电功能材料湖北省重点实验室副研究员.采访开始时谢国华刚从实验室走出来,谈起有机光电材料和器件研究,谢国华如谈起陪伴自己多年的老友,一路走来相识相知,有太多的故事和情怀.
OLED作为继LCD（液晶显示器）、L E D之后新一代的平板显示技术,科技含量高、应用领域广、发展前景好、有着巨大经济和社会效益,成为世界各国竞相扶持、发展的新型显示器件,我国也将其相关的光电材料作为重点扶持新型节能材料.历经近三十年的快速发展,OLED已经逐步完成从单纯的基础研究到大力开发产品新阶段的转变.OLED具有低工作电压、高亮度、高效率、高对比度、厚度薄、重量轻、可视视角宽、工作温度范围宽、工艺简单、可制作在柔性衬底上等诸多优点,在新一代的显示和照明产品上有着广泛的应用前景.谢国华的科研之路便从有机光电开始,我国第一款Q V G A格式有机发光微显示原型样机的研发工作便留下了他的足迹.
21世纪初,我国有机微显示器各项技术发展亟待提高,面对社会发展对新一代具有自主知识产权显示器件的迫切需求,如何加紧研究步伐克服现有技术难题受到各界专业人士重视.OLED的工作电压与常规C M O S电路的工作电压不匹配也一度成为影响科研顺利进展的难题之一.
常规高速C M O S电路最大只能提供小于5V的驱动电压,而一般的O L E D一般在5V以上才会有明亮的发光,那么,即使C M O S电路达到最大输出电压时也难以使O L E D发射足够的的光子达到阅读所需的一般亮度（比如100?200c d/m2）.因此,OL ED的工作电压与CMO S电路的工作电压不匹配成为有源显示技术与硅基高速电子电路集成的主要限制因素.当时,还在攻读微电子学与固体电子学硕士学位的谢国华对此问题充满兴趣,并加入国家重点基础研究发展计划“硅上有机发光微显示及其物理研究”的课题攻关.作为课题后期工作主要完成人之一,谢国华及其同事从改善有机电致发光器件的性能以满足实用化需求的角度出发,尝试用有机半导体电学掺杂技术克服OL E D和C M OS电路工作电压不匹配的难题,成功研制了我国第一款有机发光微显示原型样机.
“ 在合作中学习, 在交流中进步”,科研工作从来都不是闭门造车的事情,谢国华非常重视学科交流磨合后所迸发出来的火花.在研究低驱动电压和高发光效率的有机电致发光与中小尺寸有源显示衬底的集成技术中,谢国华还与韩国首尔大学Prof.Seung-Ki Joo课题组共同研制了基于p-沟道低温多晶硅衬底的底发射型有源显示OLED（2英寸对角线）,该项研究成果几乎可以直接应用到我们每天接触到的手机显示屏上.
人需要在竞争中求生存,更要学会奋斗.博士毕业后,在德国著名有机光电研究领域顶尖大牛Ka r l L eo教授的支持下,谢国华成功争取到德国洪堡基金会的资助,同时在弗劳恩霍夫有机材料和器件中心和德雷斯顿工业大学应用光物理研究所开展O L E D的稳定性研究工作.通过研究有机电致发光材料和器件的热学稳定性,谢国华成功开发出了可在100℃环境温度下工作的顶部发射型OLED.
在德国期间,谢国华的另一项标志性工作则是有机电学掺杂技术研究.在吉林大学本科学习的半导体物理专业课知识再次让谢国华受益,扎实的专业知识使谢国华了解到有机半导体和无机半导体的相通性,电学掺杂这项技术主要是通过在半导体中适当地引入合适的施主或者受主杂质,就可以分别实现半导体的N型和P型掺杂,从而使半导体的费米能级向传输态移动,提高电荷的传输能力,降低工作电压.基于有机-有机、有机-无机混合电学掺杂技术,谢国华首次实现了基于有机隧穿结的P-I-N-P型顶发射O L E D,其在1000c d/m2亮度下的寿命达到超长的50万小时,也就是说这类器件理论上可以稳定地工作50年.
专注有机光电
“国外科研氛围很好,有很强的专注精神”.2013年,谢国华加入英国圣安德鲁斯大学物理和天文系有机半导体中心,从事有机发光器件的光相干特性研究,尝试寻找治疗皮肤癌的新思路.
艾默生曾说过,凡事欲其成功,必要付出代价是奋斗.在异国他乡,除高压科研工作内容外,还要对抗艰苦环境、水土不服、言语沟通等一系列问题,“从无到有,测试平台的每一个部件都是自己购买,自己搭建；单独属于自己的测试光相干特性实验室空调不好,衣服几乎每天都是湿漉漉的；而且为了更准确地探测光的相干特性,大部分时间都是在暗室中工作,时间长了眼睛很难受”,和很多科研工作者一样,相比奋斗日子里艰难困苦,他更感谢逆境里自我的快速成长.
多学科协同展开合作为谢国华的科研课题提供了强大支持,通过对微电子、光电子、物理、材料、化学等多学科入手,谢国华在与英国工程与自然科学研究委员会的资助的大型多方合作研究中,成功搭建了世界上第一套探测有机发光器件空间相干长度的系统,并首次探测到有机电致发光器件和有机激光的空间相干长度.谢国华搭建的有机发光器件空间相干长度的系统在研究弱相干光源的相干特性方面发挥了重要作用,在光通讯与生物医疗应用方面将具有重要的科研价值和实用性.例如,相干性好的光可以提高光在生物组织中的穿透能力,可以将柔软、可穿戴式的有机相干光源贴敷于皮肤癌变或者色素沉着的地方,使光达到深层组织,从而提高动态疗法的治疗效果.
在国外多年,谢国华还身兼多个学术杂志审稿人之职.这些职务或许增加了他的工作量,但能够在第一时间接触到学术界最新科技动向,掌握最新的科研成果,在他看来已经是值得了.
这种开阔的视野也影响了他回国后的科研和教学工作.到武汉大学任职后,他发现,相比往昔,我国有机光电发展已取得了长足进步,但与国外相比还有待提高.此时,加强学科交融、合作创新才是进步之根本.谢国华对此深信不疑,并身体力行走在合作的道路中,早期与南京邮电大学黄维教授课题组、黑龙江大学许辉教授课题组共同开发了非掺杂性深蓝光OLED和基于膦氧主体的高效蓝光和白光磷光O L E D,这些工作一经报道,马上受到关注,引用率很高.这对谢国华来说,也是一次突破,他希望能进一步拓展有机光电领域相关研究,也感激武汉大学为他提供了一个好的平台能够继续施展自己的才华,与其他学科的同事开展交叉学科研究.
而作为一位师者,谢国华也将自己多年的心得融入到传道授业过程中.他喜欢将学生们“关”到实验室里,让他们在一线上通过直观操作迅速掌握实验技能.“实践是最好的老师”,谢国华说.但他也很重视能在“教”与“学”的过程中及时调整教学策略,不断提高学生学习效率和教学质量.“理论武装也是很重要的”,谢国华认为,科研立足于理论,服务于实践,他会反复叮嘱学生在实验操作之余要有选择性地看文献书籍,通过学习和总结别人的经验成果,使自己的思路更加开阔.
成功,是选择后的坚持.谢国华这样教导学生,也告诫自己.谈及未来发展,他依然对机光电材料和器件“一往情深”,并表示,“希望在有机光电材料和器件领域更加深入地开展有特色的多科学交叉研究”.
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