具有高载流子迁移率和高发光效率的新型有机半导体发光液晶分子设计、合成与性能

20250110

制造业

1. 技术成熟程度 本项目的技术在液晶有机光电半导体材料领域已经取得了显著进展，研究成果表明，基于AIE效应和螺旋相的盘状液晶分子具有优异的光电性能。通过深入研究液晶分子的自组装、电荷载流子传输、发光及手性功能，技术已达到较高的成熟度，具体表现在以下几个方面： 分子设计与合成：申请人团队在苯并菲类盘状液晶分子的设计与合成方面积累了丰富的经验，已成功合成多种具备AIE效应和螺旋相特性的液晶分子。分子设计策略不仅能有效避免传统液晶分子中荧光猝灭效应（ACQ），而且能够优化电荷载流子迁移路径，确保了材料的高效发光和电荷传输能力。 聚集态与液晶性能：采用示差扫描量热（DSC）、X射线衍射（XRD）等技术，成功确认了液晶分子在聚集态下的有序性，并对分子聚集态结构进行了深入研究，验证了液晶自组装过程的可控性和相转变特性。 光电性能：通过吸收光谱、荧光光谱、圆偏振光谱（CPL）等光谱分析，验证了材料的发光性能与圆偏振发光调制能力，进一步确保了该技术的可行性。
2. 工艺 该技术的工艺路线已经得到初步验证，并具有较好的可操作性。分子合成方面，团队通过优化合成路线，将关键中间体的产率提高到接近30%。主要的合成步骤包括： 合成路线优化：通过五步合成法，成功获得了3,6-二羟基苯并菲这一液晶前体分子，作为其他液晶分子的合成基元。研究表明，通过合理的桥接链设计，能够有效调整分子的结构、聚集态及光电性能。 分子连接与修饰：采用威廉姆森醚化反应和酯化反应，将AIE基团如四苯乙烯（TPE）与苯并菲类分子连接，优化了AIE基团与液晶基元之间的协同效应，进一步提升了材料的发光效率和电荷载流子迁移率。 工艺简便性与可扩展性：目前的合成路线和工艺步骤较为简便，且具有较好的可扩展性，为大规模制备提供了可能。通过优化分子设计和工艺参数，能够提高产率并降低生产成本，为产业化应用奠定了基础。
3. 性能 该材料的性能在多个方面表现出优异的特性，符合实际应用需求： 高发光效率：AIE基团的引入有效避免了荧光猝灭（ACQ）效应，确保了高效的发光性能。在聚集态下，材料表现出较强的荧光强度和较高的发光效率，适用于高亮度显示和照明应用。 高电荷载流子迁移率：在液晶聚集态下，材料的电荷载流子迁移率达到了接近1 × 10???? cm??/V·s，表现出优异的半导体特性，能够满足高效电子器件的要求，如OLED、光电传感器和有机太阳能电池等。 圆偏振光（CPL）调制能力：材料能够实现圆偏振光的调节，并在CPL测试中表现出较高的发光不对称因子（glum），具有广泛的应用潜力，特别是在光学调制器和传感器中。 稳定性：材料在不同环境条件下（如高温、低温、不同湿度等）表现出较好的稳定性，确保了其在实际应用中的长寿命和可靠性。
4. 产业化前景 该技术具备良好的产业化前景，尤其在以下几个领域： 柔性有机电子学：该材料可用于柔性OLED显示器件，因其在发光效率、电荷传输和稳定性等方面的优势，适合用于智能穿戴设备、柔性显示屏等应用。 有机光电器件：包括OLED、光电传感器和有机太阳能电池等，凭借其优异的电荷载流子迁移率和发光特性，该材料能够显著提升器件性能，并降低生产成本。 光学调制器与传感器：凭借圆偏振光调制能力和手性螺旋相的优势，该材料能够应用于光学调制器、光电传感器等领域，适用于智能光学系统、光通信等高端技术。 本项目不仅在液晶有机光电半导体材料的设计和合成方面取得了重要进展，且在发光、电荷传输和光偏振调制等性能方面表现优异，具有广泛的应用前景。随着技术的进一步优化和工艺的不断改进，该材料有望大规模产业化，并在柔性电子、光电传感器、OLED显示、光通信等领域发挥重要作用。

为了推动基于液晶自组装、AIE效应和螺旋相的多功能有机光电半导体材料的产业化应用，我们需要在多个关键领域开展深度合作。首先，我们希望与OLED显示、柔性电子器件、光电传感器以及有机太阳能电池领域的领先制造商合作，推动该材料在高端电子器件中的实际应用，特别是在智能穿戴设备、柔性显示屏、光电传感器等领域，进一步提升光电器件的性能与稳定性。与此同时，我们也需要与有机光电器件生产厂商合作，探索材料在光电器件集成中的优化路径，减少生产成本，加速大规模应用。 此外，为了进一步提升材料性能并实现大规模生产，我们寻求与分子模拟、性能测试、量产技术开发等领域的专家、科研机构以及相关产业化企业建立紧密合作关系，利用先进的模拟工具、性能测试设备、生产工艺优化等技术，确保从实验室到工业化生产的顺利过渡。同时，本项目的成功推广也离不开与企业孵化器、风险投资机构以及市场推广公司之间的战略合作，以推动该技术的商业化进程，快速实现市场应用，推动相关产业的升级与发展。 在技术的转化过程中，标准化和认证也是关键环节。我们计划与行业标准化机构和认证机构合作，共同推动相关技术标准的制定和认证，确保材料产品能够符合国内外的质量标准，提升其市场竞争力与应用普及度。此外，与检测机构的合作也将帮助我们验证材料的质量和稳定性，确保其在各种环境条件下的可靠性和长期使用性能。 最后，本项目涉及液晶化学、材料科学、电子学、光电学等多个学科领域，因此我们也期待与其他跨学科的科研机构和高校开展合作，通过资源共享、优势互补，在分子设计、材料性能优化、电荷载流子迁移、光电器件集成等领域共同推动技术的进步与创新。通过跨学科合作与技术融合，我们相信该技术能够在多个前沿领域得到广泛应用，并为光电材料的创新与发展做出积极贡献。

仅限国内转让

本项目通过创新性地将液晶分子自组装、电荷载流子传输、发光与手性功能相结合，成功设计并合成了基于AIE效应和螺旋相的多功能有机光电半导体材料，具有广泛的应用前景。该技术不仅在提高液晶材料发光效率和电荷传输性能方面取得了突破，还通过分子设计实现了光偏振状态调节（CPL）的功能。随着技术的成熟，预计将带来显著的经济效益、社会效益和技术创新成果。 经济效益方面，本项目的成功转化预计能够显著降低OLED显示、光电传感器等领域的生产成本，通过大规模生产降低光电器件的制造成本，推动相关行业的产业化应用。特别是在柔性有机电子学、智能穿戴设备等领域，材料的应用将大幅提升器件的性能，推动市场的快速增长，为相关企业和投资者带来长期回报。此外，材料的高效电荷载流子迁移率和良好的发光特性也将在有机太阳能电池领域提供重要的应用支持，助力绿色能源的发展。 社会效益方面，本项目能够促进绿色能源的广泛应用，推动环保节能技术的发展。特别是有机太阳能电池的应用，能够降低对传统能源的依赖，推动能源结构优化和绿色可持续发展。同时，柔性有机电子学的进步将提升人们的智能生活质量，推动智能穿戴设备和可穿戴电子产品的普及，改善人们的日常生活体验。 技术创新方面，本项目为光电器件的高效能与低成本制造提供了新的技术路线，填补了液晶材料在高发光效率、电荷传输与光偏振调控等方面的技术空白，为相关领域的技术创新和发展提供了坚实的理论和技术支撑。尤其是通过手性螺旋相的引入，解决了光偏振光调制的难题，为OLED、光电传感器等器件的性能提升提供了新的方案。 最后，项目还将促进人才培养与科技水平的提升，通过团队与国内外高校、科研机构的合作，培养了大批优秀的研究生和青年科研人员，推动了国内相关领域的技术进步和人才储备。综上所述，本项目不仅在光电材料领域具有重要的技术突破，还能为相关产业带来长期经济效益，推动环保与智能科技发展，对社会、环境和经济均具有深远的影响。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目创新性地将液晶分子自组装、电荷载流子传输、发光和手性功能相结合，提出了一种基于AIE（聚集诱导发光）效应和螺旋相的盘状液晶分子的多功能有机光电半导体材料设计方案。通过合理设计分子结构，该材料在液晶自组装过程中能够形成有序的聚集态，优化电荷载流子迁移路径，从而提高电荷传输效率；同时，通过引入AIE基团，有效避免了传统液晶材料中的荧光猝灭（ACQ）效应，在聚集态下保持高效的发光性能。此外，螺旋相的引入不仅增强了液晶分子的有序性，还使得材料具备了手性诱导、传递与放大的功能，为光偏振状态的调节提供了可能，从而实现了圆偏振光（CPL）调制。 该材料的创新设计显著提高了液晶材料的光电性能，并为有机光电器件的高效能和低成本制造提供了新的思路。特别是在OLED显示、光电传感器、柔性有机电子学和有机太阳能电池等领域，预计将产生广泛的应用前景。项目中，申请人通过长期的研究积累，熟练掌握了苯并菲类盘状液晶分子的合成、聚集态结构分析及光电性能优化技术，解决了液晶材料发光效率与电荷传输性能之间的矛盾，为新型光电器件的设计提供了可靠的理论支持和技术路径。此外，申请人团队与国内外相关课题组保持长期合作，并搭建了先进的实验平台，包括有机载流子迁移率测试设备、光谱分析仪器等，为项目的成功实施提供了技术保障。 通过优化分子设计和结构调控，项目成功实现了材料的多功能集成，为光电材料领域带来了重要的技术突破，并为推动柔性有机电子学的发展、降低生产成本做出了积极贡献。预计该技术将在智能穿戴设备、柔性显示器、光学调制器以及环保节能技术等多个前沿领域发挥重要作用，具有广泛的市场应用潜力和社会经济价值。