與有機光電為伴
——記武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院副教授謝國華

本刊記者 劉婉茹

與有機光電為伴
——記武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院副教授謝國華

本刊記者 劉婉茹

2016年5月，德國達姆施塔特——全球領(lǐng)先的科技公司默克集團在“2016 SID顯示周（SID Display Week 2016）”上展示一系列面向未來應(yīng)用的材料。有機發(fā)光二極管（OLED）材料赫然在列，這些材料以“完美像素（The Perfect Pixel）”為口號，可提高顯示器的分辨率、增強對比度、提高能效、增強色彩強度，并有助于降低制造成本。OLED已悄然成為現(xiàn)代智能手機和智能手表等可穿戴設(shè)備必不可少的一部分。正在開發(fā)中的透明和可彎曲OLED顯示器展示了其未來潛力。謝國華在科研之路上把握住的，便是這炙手可熱的有機光電材料和器件。

初識有機光電

謝國華，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院副教授，有機/高分子光電功能材料湖北省重點實驗室副研究員。采訪開始時謝國華剛從實驗室走出來，談起有機光電材料和器件研究，謝國華如談起陪伴自己多年的老友，一路走來相識相知，有太多的故事和情懷。

OLED作為繼LCD（液晶顯示器）、LED之后新一代的平板顯示技術(shù)，科技含量高、應(yīng)用領(lǐng)域廣、發(fā)展前景好、有著巨大經(jīng)濟和社會效益，成為世界各國競相扶持、發(fā)展的新型顯示器件，我國也將其相關(guān)的光電材料作為重點扶持新型節(jié)能材料。歷經(jīng)近三十年的快速發(fā)展，OLED已經(jīng)逐步完成從單純的基礎(chǔ)研究到大力開發(fā)產(chǎn)品新階段的轉(zhuǎn)變。OLED具有低工作電壓、高亮度、高效率、高對比度、厚度薄、重量輕、可視視角寬、工作溫度范圍寬、工藝簡單、可制作在柔性襯底上等諸多優(yōu)點，在新一代的顯示和照明產(chǎn)品上有著廣泛的應(yīng)用前景。謝國華的科研之路便從有機光電開始，我國第一款QVGA格式有機發(fā)光微顯示原型樣機的研發(fā)工作便留下了他的足跡。

21世紀初，我國有機微顯示器各項技術(shù)發(fā)展亟待提高，面對社會發(fā)展對新一代具有自主知識產(chǎn)權(quán)顯示器件的迫切需求，如何加緊研究步伐克服現(xiàn)有技術(shù)難題受到各界專業(yè)人士重視。OLED的工作電壓與常規(guī)CMOS電路的工作電壓不匹配也一度成為影響科研順利進展的難題之一。

常規(guī)高速CMOS電路最大只能提供小于5V的驅(qū)動電壓，而一般的OLED一般在5V以上才會有明亮的發(fā)光，那么，即使CMOS電路達到最大輸出電壓時也難以使OLED發(fā)射足夠的的光子達到閱讀所需的一般亮度（比如100～200cd/ m2）。因此，OLED的工作電壓與CMOS電路的工作電壓不匹配成為有源顯示技術(shù)與硅基高速電子電路集成的主要限制因素。當時，還在攻讀微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士學(xué)位的謝國華對此問題充滿興趣，并加入國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“硅上有機發(fā)光微顯示及其物理研究”的課題攻關(guān)。作為課題后期工作主要完成人之一，謝國華及其同事從改善有機電致發(fā)光器件的性能以滿足實用化需求的角度出發(fā)，嘗試用有機半導(dǎo)體電學(xué)摻雜技術(shù)克服OLED和CMOS電路工作電壓不匹配的難題，成功研制了我國第一款有機發(fā)光微顯示原型樣機。

“在合作中學(xué)習(xí)，在交流中進步”，科研工作從來都不是閉門造車的事情，謝國華非常重視學(xué)科交流磨合后所迸發(fā)出來的火花。在研究低驅(qū)動電壓和高發(fā)光效率的有機電致發(fā)光與中小尺寸有源顯示襯底的集成技術(shù)中，謝國華還與韓國首爾大學(xué)Prof.Seung-Ki Joo課題組共同研制了基于p-溝道低溫多晶硅襯底的底發(fā)射型有源顯示OLED（2英寸對角線），該項研究成果幾乎可以直接應(yīng)用到我們每天接觸到的手機顯示屏上。

人需要在競爭中求生存，更要學(xué)會奮斗。博士畢業(yè)后，在德國著名有機光電研究領(lǐng)域頂尖大牛Karl Leo教授的支持下，謝國華成功爭取到德國洪堡基金會的資助，同時在弗勞恩霍夫有機材料和器件中心和德雷斯頓工業(yè)大學(xué)應(yīng)用光物理研究所開展OLED的穩(wěn)定性研究工作。通過研究有機電致發(fā)光材料和器件的熱學(xué)穩(wěn)定性，謝國華成功開發(fā)出了可在100℃環(huán)境溫度下工作的頂部發(fā)射型OLED。

在德國期間，謝國華的另一項標志性工作則是有機電學(xué)摻雜技術(shù)研究。在吉林大學(xué)本科學(xué)習(xí)的半導(dǎo)體物理專業(yè)課知識再次讓謝國華受益，扎實的專業(yè)知識使謝國華了解到有機半導(dǎo)體和無機半導(dǎo)體的相通性，電學(xué)摻雜這項技術(shù)主要是通過在半導(dǎo)體中適當?shù)匾牒线m的施主或者受主雜質(zhì)，就可以分別實現(xiàn)半導(dǎo)體的N型和P型摻雜，從而使半導(dǎo)體的費米能級向傳輸態(tài)移動，提高電荷的傳輸能力，降低工作電壓。基于有機-有機、有機-無機混合電學(xué)摻雜技術(shù)，謝國華首次實現(xiàn)了基于有機隧穿結(jié)的P-I-N-P型頂發(fā)射OLED，其在1000cd/m2亮度下的壽命達到超長的50萬小時，也就是說這類器件理論上可以穩(wěn)定地工作50年。

專注有機光電

“國外科研氛圍很好，有很強的專注精神”。2013年，謝國華加入英國圣安德魯斯大學(xué)物理和天文系有機半導(dǎo)體中心，從事有機發(fā)光器件的光相干特性研究，嘗試尋找治療皮膚癌的新思路。

艾默生曾說過，凡事欲其成功，必要付出代價是奮斗。在異國他鄉(xiāng)，除高壓科研工作內(nèi)容外，還要對抗艱苦環(huán)境、水土不服、言語溝通等一系列問題，“從無到有，測試平臺的每一個部件都是自己購買，自己搭建；單獨屬于自己的測試光相干特性實驗室空調(diào)不好，衣服幾乎每天都是濕漉漉的；而且為了更準確地探測光的相干特性，大部分時間都是在暗室中工作，時間長了眼睛很難受”，和很多科研工作者一樣，相比奮斗日子里艱難困苦，他更感謝逆境里自我的快速成長。

多學(xué)科協(xié)同展開合作為謝國華的科研課題提供了強大支持，通過對微電子、光電子、物理、材料、化學(xué)等多學(xué)科入手，謝國華在與英國工程與自然科學(xué)研究委員會的資助的大型多方合作研究中，成功搭建了世界上第一套探測有機發(fā)光器件空間相干長度的系統(tǒng)，并首次探測到有機電致發(fā)光器件和有機激光的空間相干長度。謝國華搭建的有機發(fā)光器件空間相干長度的系統(tǒng)在研究弱相干光源的相干特性方面發(fā)揮了重要作用，在光通訊與生物醫(yī)療應(yīng)用方面將具有重要的科研價值和實用性。例如，相干性好的光可以提高光在生物組織中的穿透能力，可以將柔軟、可穿戴式的有機相干光源貼敷于皮膚癌變或者色素沉著的地方，使光達到深層組織，從而提高動態(tài)療法的治療效果。

在國外多年，謝國華還身兼多個學(xué)術(shù)雜志審稿人之職。這些職務(wù)或許增加了他的工作量，但能夠在第一時間接觸到學(xué)術(shù)界最新科技動向，掌握最新的科研成果，在他看來已經(jīng)是值得了。

這種開闊的視野也影響了他回國后的科研和教學(xué)工作。到武漢大學(xué)任職后，他發(fā)現(xiàn)，相比往昔，我國有機光電發(fā)展已取得了長足進步，但與國外相比還有待提高。此時，加強學(xué)科交融、合作創(chuàng)新才是進步之根本。謝國華對此深信不疑，并身體力行走在合作的道路中，早期與南京郵電大學(xué)黃維教授課題組、黑龍江大學(xué)許輝教授課題組共同開發(fā)了非摻雜性深藍光OLED和基于膦氧主體的高效藍光和白光磷光OLED,這些工作一經(jīng)報道，馬上受到關(guān)注，引用率很高。這對謝國華來說，也是一次突破，他希望能進一步拓展有機光電領(lǐng)域相關(guān)研究，也感激武漢大學(xué)為他提供了一個好的平臺能夠繼續(xù)施展自己的才華，與其他學(xué)科的同事開展交叉學(xué)科研究。

而作為一位師者，謝國華也將自己多年的心得融入到傳道授業(yè)過程中。他喜歡將學(xué)生們“關(guān)”到實驗室里，讓他們在一線上通過直觀操作迅速掌握實驗技能。“實踐是最好的老師”，謝國華說。但他也很重視能在“教”與“學(xué)”的過程中及時調(diào)整教學(xué)策略，不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。“理論武裝也是很重要的”，謝國華認為，科研立足于理論，服務(wù)于實踐，他會反復(fù)叮囑學(xué)生在實驗操作之余要有選擇性地看文獻書籍，通過學(xué)習(xí)和總結(jié)別人的經(jīng)驗成果，使自己的思路更加開闊。

成功，是選擇后的堅持。謝國華這樣教導(dǎo)學(xué)生，也告誡自己。談及未來發(fā)展，他依然對機光電材料和器件“一往情深”，并表示，“希望在有機光電材料和器件領(lǐng)域更加深入地開展有特色的多科學(xué)交叉研究”。