重点实验室国际化人才培养的探索与实践

依托“双一流”建设高校成立的省部级重点实验室,承担服务国家战略需求及培养国际化人才的使命。从一流平台建设,拓宽对外交流渠道,“留学天大”策略实施,以及外籍专家人才引进4个方面,分析介绍天津市分子光电科学重点实验室在国际化人才培养方面的实践经验及取得的成果,同时提出未来发展方向,为同类实验室国际化人才培养提供实践参考。

化工原理实验与前沿科研成果相融合的探索

基于化工原理实验教学实践经验,将前沿科研成果融入其中,设定专业特色实验、探究研讨实验、设计原创实验,以期形成丰富的实验资源、特色课程和教材及支撑创新人才的培养。在学生接触到科研实验的同时,能够深化所学的化工原理理论知识,开拓前沿科研学术视野,激励其自主学习,产生浓厚的科研兴趣,提高创新能力。

无机化学实验课程学生成绩考核改革探索

近年来无机化学实验课程内容的更新和教学资源的多维度信息化,使学生课程成绩的评价方式改革显得十分迫切。本文介绍了天津大学无机化学实验课程建设发展概况,阐明了学生成绩评价方式改革的必要性,总结了具体的改革实践措施及效果,归纳了不足之处和未来改进提升计划,为无机化学实验课程教学同行提供借鉴参考。

面向本科课堂的有机聚合物导电薄膜制备与改性实验教学创新

近年来,作为前沿交叉领域,有机电子学的相关研究方兴未艾。有机电子学旨在使用有机材料制造出更灵活、更环保、更经济的电子器件,用于显示技术、光电子学、能源转换等领域。为深化本科生对有机电子学的理解,本实验教学方案以常见有机聚合物P3HT为主体,利用旋涂仪实现活性层的制备与改性,通过台阶仪、光学显微镜、原子力显微镜表征薄膜表面形貌,最后利用探针台对器件导电性进行测试。实验过程中保护措施规范周全,安全性得到可靠保障,同时实验中包含多项基本操作及实验仪器的使用,有利于提升学生的实践能力和科学素养。本次实验旨在通过对有机聚合物薄膜的制备、改性与测试表征,激发本科生对有机电子学前沿领域的学习兴趣,提升学生的创新意识和综合素质。

大尺寸有机分子晶体的生长及光电应用

有机分子晶体通过非共价相互作用结合在一起,具有三维长程有序、热力学稳定、缺陷密度低等特点,在有机场效应晶体管、X射线成像、非线性光学、光波导、柔性可穿戴器件和激光器等领域有广阔的应用前景。以往的研究主要是基于有机块状晶体或小尺寸的有机微/纳米晶体,对大尺寸的有机分子晶体研究较少,而实际应用场景往往需要大尺寸的有机分子晶体,如晶体管阵列及电路需要英寸级晶体膜,X射线成像和非线性光学变频需要厘米级晶体。然而,获得高质量大尺寸的有机分子晶体极具挑战,国内外尚未有关于大尺寸有机分子晶体生长与光电性能研究的总结和综述。本文首先介绍了分子晶体的生长机理和生长方法,然后介绍了大尺寸有机分子晶体的材料,接着总结了大尺寸有机分子晶体在长余辉发光、非线性光学、X射线成像、快中子探测、场效应晶体管、光电探测器等光电方面的应用,最后讨论了这一领域存在的挑战并对未来发展进行了展望。

大尺寸MAPbI_3单晶的制备及光电性能研究

采用两步气相沉积法制备了大尺寸(150μm左右)高质量的MAPbI_3单晶,并通过对衬底表面修饰来调控晶体的成核位置.从衬底温度、载气流速、时间效应等方面系统探究了影响PbI_2晶体生长的因素.结果表明:该晶体生长的最优条件分别对应为350℃、20sccm、20min.将MAPbI_3单晶放置在空气中50天后,其X衍射特征峰没有明显变化.最后分析该器件的光电特性,发现其开关比高达10~4,响应度为3.8×10~4 A/W,且具有较快的响应速度(上升时间:0.03s;下降时间:0.15s).该MAPbI_3单晶光电探测器将在光电学领域有非常良好的应用.

基于高黏附可拉伸高分子材料的人机交互界面

随着柔性电子技术和人工智能的蓬勃发展,将柔性传感器与人工智能、大数据和5G通讯有机结合,能够构建以人为中心的智能人机交互系统,在智能健康监测和生物医疗等领域发挥越来越重要的作用.作为连接人体信号与网络空间的人机交互界面,皮肤电极的力学性能直接影响监测信号的灵敏度和稳定性.从材料的角度出发,如何同时实现电极的可拉伸性和高黏附性,让其稳定地贴敷于皮肤表面,成为皮肤电极进一步应用亟待解决的科学难题和技术挑战.本文综合评述了近年来高黏附可拉伸高分子材料的研究进展及在人机交互界面的各种应用,并展望了下一代智能人机交互界面的发展趋势.

基于偶氮苯-4,4'-二羧酸衍生物的水相超分子自组装

设计合成了两种含偶氮苯的羧酸盐(Azo-2COONa和Azo-2TBA)和一种含四苯基甲烷的甲脒盐酸盐(TPM-4Cl)。在氢键作用和静电作用的驱动下,两种羧酸盐均可与TPM-4Cl在水相发生自组装,形成具有高稳定性和高长径比的针状晶体。在该类基于羧酸-脒的超分子结构中,脒阳离子TPM^(4+)和羧酸根阴离子Azo^(2-)的结合比(n(TPM^(4+))∶n(Azo^(2-))=1∶2)可以通过傅里叶变换红外(FT-IR)光谱和核磁共振(NMR)波谱得以证实。此外,组装体的可逆形成与解组装可以通过改变水溶液的酸碱环境进行调控。因此,这一工作不仅提供了一种简单、绿色、高效的方法构筑三维超分子有序结构,也有望推动该类组装体在客体分子(如药物分子)的选择性包裹与释放方面的应用。

二茂铁自组装分子结中电荷隧穿与跳跃传输的机理研究

采用硫醇自组装单层膜结合悬浮纳米线技术制备了分子结器件,对比研究了非电活性的1-十一烷基硫醇(C11)和电活性的二茂铁己硫醇(FHT)分子结的电荷传输特性.结合两种传输机理,提出一种新的模型拟合了分子结的电流-电压特性,发现了氧化还原活性中心二茂铁(Ferrocene,Fc)可以使电荷传输机理由隧穿变成隧穿与跳跃共存.结合变温实验验证了这一机理,并对这种混合机理出现的原因进行了分析.

手性氨基酸对手性碳酸钙生物矿物的诱导与调控

手性生物矿物广泛存在于自然界中,在生命起源、生物进化、病理学和材料学研究中都扮演着重要的角色。因此,对手性生物矿物产生机制的探究逐渐成为现代热点研究领域。在生物矿化过程中,手性矿化蛋白质分子通过其手性氨基酸残基来实现对生物矿物的调控。本工作从构成手性矿化蛋白质的酸性氨基酸(L-天冬氨酸)、中性氨基酸(L-丙氨酸)和碱性氨基酸(L-赖氨酸)出发,仿生模拟碳酸钙生物矿物生长的手性环境,诱导合成了手性碳酸钙(球霰石)生物矿物。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射等表征手段,揭示了各种手性氨基酸在手性碳酸钙的形成过程中所起的作用:酸性氨基酸分子负责球霰石手性结构的调控,碱性氨基酸和中性氨基酸主要负责诱导产生球霰石物相。本研究为手性生物矿物的产生过程构建了新的理论模型,以期促进手性生物材料的合成与发展。

客体异构化对主客体型有机掺杂晶体余辉颜色的影响

通过磁力搅拌分别使客体材料苯并蒽(BA)与苯并菲(BPT)两种同分异构体均匀地混合在熔融的主体材料4,4′-二甲基二苯甲酮(2MBP)中,构建了两种主客体掺杂型晶体材料2MBP:BA及2MBP:BPT.研究发现,由于主客体之间的Förster能量转移性能差异,两种晶体呈现出明显的余辉颜色不同.通过客体分子结构的改变,实现了从绿色余辉向红色余辉的转变,并获得了时间长达2 s的深红色余辉(2MBP:BA).利用余辉颜色的差异,构建了一种新颖的基于ASCII二进制码的双色微阵列用于信息加密,体现出此类长余辉材料的独特性能优势.

官能团调控对石墨烯正极电化学性能的影响

为了系统分析石墨烯正极材料中含氧官能团的量对材料电化学性能的影响,通过氧化石墨的低温膨胀法及后处理手段制备出3种不同官能团含量的石墨烯粉体材料,并进行了系统的理化表征和电化学性能表征。结果表明,当石墨烯材料用作锂离子电容器正极时,在其比表面积略微降低的前提下,若氧原子摩尔分数提高约14.5%,可逆比容量提升约13.4%;若氧原子摩尔分数降低约79%,可逆比容量降低约80.1%。说明含氧官能团的量是影响材料可逆比容量的关键因素。将此类石墨烯正极材料应用于软包型锂离子电容器器件中,器件表现出较好的电化学特性(在60 C充放电倍率下,器件容量保持率仍有47%)。

异质相金属烯表面分子修饰实现可充电锌-硝酸盐/乙醇电池

氨及其衍生物,作为地球生物圈氮循环的重要组成部分,对人类可持续发展具有重要意义.开发新型的高效氨合成技术以替代传统高能耗的Haber-Bosch制氨法是构建能源经济性社会的一条重要途径^([1]).锌-硝酸盐电池是近年来提出的一种兼具氨电合成、能源存储及污水处理能力的环境友好型电化学能源系统。

用于人机交互设备的本征可拉伸功能器件和高分子材料

在物联网飞速发展的智能时代,高分子光电材料具有更低的杨氏模量和更好的本征拉伸性,成为人机交互设备的理想选择.本文从平衡高分子光电材料电学(载流子传输需求)和力学(可拉伸需求)性能这一难点出发,根据可拉伸器件在人机交互中的应用功能,总结了供能、传感、神经接口和显示等功能模块材料/器件方面的创新性成果,分析了各功能器件及多功能集成面临的共性问题,并展望了智能人机交互系统的发展前景.介绍了本征可拉伸功能器件包括有机太阳能电池(OSCs)、有机热电器件(oTEGs)、离子电池、纳米发电机(NGs)和超级电容器(SCs),有机光电探测器(OPDs)、化学传感器和热传感器,多模态阵列电极(MEAs)和有机电化学晶体管(OECTs),有机电化学发光器件(OLECs)、有机电致变色显示器(OECDs)和有机发光二极管(OLEDs),有机场效应晶体管(OFETs)和多功能集成系统等.分析表明,可拉伸高分子光电材料的光电性能进一步提升和各功能层间的动态稳定界面,是未来研究重点.

有机光伏薄膜的力学性能调控与预测

有机光伏电池(OPVs)具有颜色丰富、质轻、柔性等优点,在半透明、可穿戴/可拉伸电子器件领域具有极大的应用前景.本文重点评述了高效率有机光伏活性层薄膜的力学性能调整策略,并概述了其力学性能的理论预测模型.首先,简要介绍了薄膜的力学性能参数及其测试方法;随后,结合最新实例分别阐述了聚合物∶小分子和全聚合物两类OPVs共混薄膜力学性能的调控方法和理论模型;最后,对有机光电薄膜未来的研究趋势进行了展望.

基于芳环取代酰亚胺端基的非富勒烯受体材料的合成与光伏性能

端基结构对于有机太阳能电池(OSCs)中非富勒烯受体(NFAs)的光电性能具有重要影响.本文设计合成了3种新型芳环取代的酰亚胺结构的端基(IIC-Ph, IIC-PhBr和IIC-Ph2F),并将其用于制备受体-给体(受体)给体-受体(A-DA′D-A)型NFAs(BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F).紫外-可见-近红外吸收光谱对比和理论模拟结果表明,相比于IIC-Ph端基, IIC-PhBr和IIC-Ph2F端基具有更强的吸电子能力,增强了NFAs的分子内电荷转移效应(ICT),促使了吸收红移.端基苯环上强吸电子的溴原子和氟原子的引入,降低了A-DA′D-A型受体的前线轨道能级.基于BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的二元电池分别获得了13.54%, 11.84%和11.58%的能量转换效率(PCEs).相比于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F,基于BTP-IIC-Ph的电池表现出更好的光伏性能,这主要归因于其较高的最低未占有轨道能级(LUMO)所导致的较高开路电压(VOC),以及更好的激子解离能力和更弱的陷阱辅助载流子复合.

基于碳电极的分子电子器件

基于分子的电子器件以分子的本征电子结构为器件单元,在分子水平上构筑电子器件,是跨越分子电荷传递机制研究的理想实验平台,也为在微纳尺度上实现新型功能电子器件提供了新颖的策略。实现微纳电极间隙及稳定的电极-分子的连接是开发重现性高的分子器件的关键。碳材料因其化学稳定性高、表面化学丰富而在分子器件的构筑中得到了越来越广泛的应用。本文总结回顾了以碳作为电极构筑分子器件的研究状况,讨论了碳材料在分子器件构筑中稳定性高、成本低和可量产等突出优势以及在大面积分子器件和单分子器件中的应用与研究进展。展示了以碳电极构筑的分子开关、分子整流等功能分子器件以及分子-电子传输构效关系等研究方面的丰富成果。最后分析了目前基于碳基分子器件研究面临的挑战,对碳电极-分子界面的化学连接、基于碳电极的分子器件的功能化以及未来分子器件的集成化做了展望。

光电高分子材料的研究进展

光电活性共轭高分子是高分子科学的前沿研究方向.共轭高分子光电材料的研究在中国引起了学术界的广泛兴趣,中国的学者们对推动此研究领域的发展做出了重要贡献,并在新的高性能光电共轭高分子的分子设计、新型及可控聚合、性能调控以及光电应用等方面取得了一系列重要的创新成果.本文总结和评述了中国学者在光电高分子领域的研究成果与最新进展,并展望了其未来的发展.

共轭高分子光电功能材料的多尺度性能研究——聚合物电子学领域中的新机遇

共轭高分子材料特异的金属或半导体的电子特性兼有质轻、价廉、易于加工的优点使其在有机场效应晶体管、有机太阳能电池和有机发光二极管等领域显示了重要的应用前景.然而,尽管经过几十年的不断研究,共轭高分子材料种类及其相关器件性能均已得到显著发展,但是共轭高分子材料的本征电荷传输特性仍不清楚,其研究面临巨大挑战,这主要是由共轭高分子材料本身分子量分布弥散、分子间相互缠结以及在常规旋涂薄膜器件中分子高度无序等特性所决定的.从调控共轭高分子聚集态结构的角度出发,不断提高共轭高分子的结构有序性及减小电荷传输过程中的晶界及缺陷密度,是实现共轭高分子材料本征性能认识的有效途径之一.本文首先简单归纳总结了研究者在共轭高分子多尺度聚集态结构调控及性能研究方面的初步结果,进一步结合国内外相关研究进展,重点对共轭高分子晶体方面的工作展开详细介绍,最后对该领域未来发展的挑战及机遇进行了简单评述.

基于蒽衍生高迁移率发光材料的研究进展

高迁移率发光有机半导体材料是实现有机发光场效应晶体管(OLETs)的重要材料,但其设计合成面临巨大挑战.本文综合评述了近年来高迁移率发光材料,特别是基于蒽的高迁移率发光材料的研究进展,重点介绍了目前报道的20余种基于蒽的高迁移率发光有机半导体材料,包括分子的设计策略\,相关的光电性能及其在OLETs器件方面的应用研究,以便为进一步的相关研究提供有意义的指导和借鉴.本文还对该领域未来发展的挑战、发展方向及机遇进行了简单评述.