燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、高分子材料系主任許凱，長(zhǎng)期圍繞有機(jī)/聚合物半導(dǎo)體材料，致力于材料加工、薄膜聚集態(tài)調(diào)控、器件機(jī)理及性能等問(wèn)題研究。2020 年入職燕山大學(xué)后，他依托亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)推進(jìn)導(dǎo)電聚合物及有機(jī)電子器件相關(guān)研究，探索其在柔性傳感、低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換和集成化器件中的應(yīng)用可能。

“我們關(guān)注的核心問(wèn)題，是離子和電子如何在導(dǎo)電聚合物中傳遞，以及二者之間如何耦合。"許凱介紹，沿著這一思路，課題組將研究延伸到有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）。這類(lèi)器件能夠利用離子-電子耦合，在較低工作電壓下實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)控和轉(zhuǎn)換，因而在代謝傳感、生物傳感、柔性貼片式監(jiān)測(cè)等方向具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

許凱老師（第一排左二）與同學(xué)的合影

許凱與有機(jī)電子器件方向的聯(lián)系始于博士階段。早期，他關(guān)注OLED等有機(jī)電子器件，也見(jiàn)證了相關(guān)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究逐步走向產(chǎn)業(yè)化。后來(lái)在國(guó)外科研經(jīng)歷中，他接觸到導(dǎo)電聚合物摻雜、離子摻雜以及有機(jī)電化學(xué)晶體管等方向，并逐漸意識(shí)到，這類(lèi)體系既有豐富的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，也有清晰的應(yīng)用前景。

“這是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。"許凱說(shuō)，導(dǎo)電聚合物摻雜，過(guò)去常采用小分子摻雜方式，但這類(lèi)方法往往難以定量。電化學(xué)過(guò)程則可以通過(guò)電信號(hào)調(diào)控?fù)诫s程度，讓研究者更清楚地分析材料狀態(tài)和器件行為。

2020年，許凱回國(guó)入職燕山大學(xué)，繼續(xù)沿著這一方向推進(jìn)。一方面研究基本機(jī)理，另一方面嘗試將其推向更具體的傳感應(yīng)用。今年4月，許凱課題組與合作者，在Science Advances在線發(fā)表相關(guān)成果，圍繞高穩(wěn)定性雙極性有機(jī)電化學(xué)晶體管中的離子-電子耦合機(jī)制展開(kāi)研究。對(duì)他而言，器件性能只是結(jié)果，更重要的是理解結(jié)果背后的材料變化。

為了讓研究真正開(kāi)展起來(lái)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是第一步。依托學(xué)校啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)和燕山大學(xué)材料學(xué)科平臺(tái)，許凱課題組逐步建立起從器件加工、性能測(cè)試到材料表征的一整套條件。蒸鍍、旋涂、3D打印、電化學(xué)測(cè)試、電子順磁共振波譜儀等設(shè)備，為課題組日常研究提供了基礎(chǔ)；亞穩(wěn)材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的表征平臺(tái)，也為材料結(jié)構(gòu)分析提供了支撐。

在這些工具中，EPR是理解導(dǎo)電聚合物摻雜過(guò)程的重要一環(huán)。導(dǎo)電聚合物在摻雜過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生可移動(dòng)載流子，也可能形成自由基、極化子等活性物種。EPR能幫助研究者判斷這些物種是否存在，并對(duì)材料狀態(tài)進(jìn)行一定程度的半定量分析。

2021年，許凱課題組引入國(guó)儀量子臺(tái)式電子順磁共振波譜儀，這也是當(dāng)時(shí)燕山大學(xué)的第一臺(tái)EPR設(shè)備。

國(guó)儀量子臺(tái)式電子順磁共振波譜儀EPR200M

近五年使用下來(lái)，這臺(tái)設(shè)備給許凱留下的最直接印象是穩(wěn)定。“這幾年設(shè)備本身沒(méi)有出過(guò)什么問(wèn)題，整體穩(wěn)定性還是挺好的。"他說(shuō)。對(duì)于課題組而言，穩(wěn)定意味著實(shí)驗(yàn)安排更可控，也意味著學(xué)生可以把EPR當(dāng)作日常研究工具。

性能方面，這臺(tái)EPR能夠滿(mǎn)足課題組對(duì)導(dǎo)電聚合物薄膜等樣品的測(cè)試需求，幫助他們觀察摻雜過(guò)程中的關(guān)鍵物種。臺(tái)式設(shè)備的便利性也讓測(cè)試更貼近實(shí)驗(yàn)節(jié)奏，樣品做好后，學(xué)生可以及時(shí)測(cè)試，不必頻繁排隊(duì)等待。

許凱也提到，國(guó)儀量子的技術(shù)支持響應(yīng)較快。無(wú)論是粉末、液體等不同樣品類(lèi)型的測(cè)試溝通，還是液氮功能等操作細(xì)節(jié)，工程師都能通過(guò)溝通群及時(shí)協(xié)助。“相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較省心的。"他說(shuō)。

從學(xué)界到產(chǎn)業(yè)界，導(dǎo)電聚合物的價(jià)值正在被重新認(rèn)識(shí)。它早已不只是“能導(dǎo)電的有機(jī)材料"，而是逐漸成為連接電子、離子以及生物/化學(xué)信號(hào)的重要材料平臺(tái), 這也正是許凱課題組持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。

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