原创长光所Light中心中国光学收录于话题#发光学报5个
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《发光学报》创刊于年，月刊，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国物理学会发光分会主办，发光学及应用国家重点实验室协办，是一本以发光学、凝聚态物质中的激发态过程为专业方向的综合性学术刊物。现任名誉主编是徐叙瑢院士、范希武研究员和王立军院士，主编是申德振研究员，副主编是江风益院士、刘益春教授、汤子康教授、徐春祥教授和张洪杰院士。自创刊以来，《发光学报》不断发展壮大，被国内外多个知名数据库收录，包括EI、ElsevierScopus、INSPEC（英国《科学文摘》）、CA（美国《化学文摘》）、CSA（美国《剑桥科学文摘》）、中国科学引文数据库（CSCD）、中国科技论文与引文数据库（CSTPCD）、中国科技期刊数据库（CSTJ）等。
为纪念创刊40周年，《发光学报》特推出“青稞论道”专栏，悟创新之道，彰促进之法，论发光未来，展青科风采。
本期目录
1.钙钛矿发光：多学科深度交叉融合
2.光功能纳米材料与肿瘤光学治疗展望
钙钛矿发光：多学科深度交叉融合
王建浦*，彭其明
南京工业大学先进材料研究院,江苏省柔性电子重点实验室
摘要：现代科学既高度分化又高度融合，多学科交叉极大地推动了科学的进步，不断孕育出新的研究范式和变革性科技。本文基于作者自身的研究经历，以钙钛矿发光器件的构筑和出光结构为切入点，阐述多学科深度交叉融合在钙钛矿发光的发展中所起的推动作用。
1引言
多学科交叉融合是现代科学发展的特征。近现代科学前沿的重大突破和原创性成果的产生，大多是多学科交叉融合的结果。近半数诺贝尔奖成果是基于多学科交叉融合取得的，且这种趋势愈发明显。世界主要大国和知名科学机构普遍高度重视建立学科交叉研究中心，推动多学科交叉融合与发展。我国相关部门近年来也十分重视多学科交叉融合。年，教育部、财政部、国家发改委联合印发了《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》，明确要求大力促进多学科深度交叉融合，构建协调可持续发展的学科体系，打破传统学科之间的壁垒，在前沿和交叉学科领域培植新的学科生长点。年，国家自然科学基金委提出依据科学问题的属性来确定的新时代科学基金资助导向。其中一类即为“共性导向，交叉融通”，旨在以共性科学问题为导向，促进不同学科的交叉融合，使科学基金成为人类知识的倍增器。年,教育部发布了《未来技术学院建设指南(试行)》，提到要坚持交叉融合，探索人才培养新模式，探索未来专业交叉融合机制，加大学科交叉融合力度。
金属卤化物钙钛矿是指具有ABX3型晶体结构的一类半导体光电材料,通常A位置为甲胺等有机阳离子,B位置为铅、锡等二价金属阳离子,X位置为溴、碘等卤素阴离子。这是一类近乎全能的光电材料,其在光伏、发光、光探测、催化等一系列领域都表现出优异的性能。值得注意的是，作为新兴明星材料，钙钛矿自被研究伊始，就具备典型的多学科深度交叉融合的特征。在其发展历程中，涌现出无数物理、化学、电子、材料、光学、大数据等学科背景的研究者，从不同的角度，不断地加深着我们对这类材料的理解。本文无意详述这一波澜壮阔的发展历程，作为钙钛矿发光的率先研究者之一，笔者仅以钙钛矿发光二极管的器件制备和出光结构为切入点，阐述多学科深度交叉融合在钙钛矿发光的发展中所起的推动作用。
2PeLED的器件构筑：物理化学交叉
钙钛矿发光二极管(PeLED)有着与有机发光二极管(OLED)类似的器件结构，都是发光层夹在电子和空穴传输层之间构成三明治结构[。事实上，PeLED的高速发展在一定程度上也得益于从OLED研究中借鉴的经验。然而，在器件发光层的构筑上，PeLED与OLED却有着极大的不同。通常，制备OLED时物理和化学分工明确。化学家负责材料的合成，一旦材料被制备出来，其性质就基本确定；物理研究者对器件结构的优化(如能级调控等)更多地体现在有机材料的选取和物理参数(膜厚等)的调控上，因为分子之间仅为简单的堆叠，极少发生化学反应。
与有机发光不同，钙钛矿材料的合成与成膜是同时进行的，体现出物理与化学的高度交叉。钙钛矿和功能层以及界面层之间经常发生强化学作用，界面的性质会影响沉积其上的钙钛矿层结晶度、形貌、缺陷性质和能级结构等。年，笔者团队研究绿光PeLED时，发现在电子传输层氧化锌(ZnO)上增加一层有机界面材料(PEIE)后，不仅界面势垒会得到很大改善，而且晶体质量大大提高，缺陷明显变少，钙钛矿层表面也更加平整，薄膜覆盖率更高。基于此，我们实现了当时最高效率(3.5%)的红光PeLED和最大亮度(cdm-2)的绿光PeLED。之后研究者发现，ZnO层可使有机阳离子去质子化从而有效地促进钙钛矿的结晶——ZnO上能够形成高质量的钙钛矿膜，而同一前体溶液却未能在TiOx和SnO2上形成钙钛矿膜。此外，将具有钝化功能的基团(例如路易斯碱/酸基)连接在界面材料上，能够进一步修复钙钛矿的表面缺陷。
另一个例子是多量子阱(Multiplequantumwell)钙钛矿发光器件的制备。无机LED的多量子阱结构是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方式交替沉积具有不同带宽的晶体层，例如GaN/InGaN，其过程虽然涉及化学反应，但势阱和势垒却是通过物理方式来精确控制。与无机多量子阱LED不同，钙钛矿多量子阱的制备过程中物理化学缺一不可。钙钛矿多量子阱通常由金属卤化物八面体无机层(势阱)和大尺寸有机阳离子层(势垒)构成。制备过程中，需要在前驱体中混合大尺寸有机阳离子、小尺寸有机阳离子、二价金属阴离子以及卤素离子，通过调节各成分的比例、溶液的浓度、成膜的时间、退火的温度等条件，从而实现对钙钛矿多量子阱的调控，充分体现了物理与化学的学科交叉特征。年，我们提出采用多量子阱钙钛矿构筑PeLED,使PeLED的器件效率首次突破10%大关。
3PeLED的出光结构：光与电的融合
对于面发光LED，例如OLED，70%~80%的光子都会以波导模、基底模等模式限制在器件内部，致使器件的耦合出光效率仅为20%左右。为了提升OLED的耦合出光效率，人们提出了多种方式。例如，在基底上制备光栅结构或光子晶体结构破坏波导模式和等离激元模式，或在基底上制备微透镜等微结构提取限制在基底模中的光子。但归根结底，对于OLED，器件的电学性质和光学性质的优化是各自独立、分开进行的。
钙钛矿器件出光结构的优化却很大程度上体现了光学与电学性质的深度融合。相比于有机半导体，钙钛矿通常具有更高的折射率，使更多的光以波导模式限制在器件内部。因此通常的看法是，PeLED的耦合出光效率要比OLED更低。然而，研究结果表明，很多时候PeLED天然就具备优良的出光结构，从而使其光提取效率远大于预测值。例如，年，我们通过一种简单的低温溶液法，实现了由一层非连续、不规则分布的钙钛矿晶粒和嵌入在钙钛矿晶粒之间的低折射率有机绝缘层组成的发光层。这种钙钛矿层具有凹凸起伏的非周期性结构，有效地降低了器件中的光波导模，从而将光提取效率从20%左右提高到了30%。使用该方法制备的PeLED外量子效率达到20.7%。值得注意的是，这种出光结构是在制备钙钛矿层时自发形成的，避免了复杂的光学结构制备工艺，使得器件的电学性能几乎不受影响，并且保留了朗伯体面光源所具有的视角无关电致发光特性。不仅如此，合理选择的绝缘层能够钝化钙钛矿晶粒的表面缺陷，大大提升钙钛矿的荧光量子产率。我们注意到，这一发现随后也得到了同行的广泛验证。以上特征均充分体现了PeLED电学与光学性质的一体性。
4展望
现代科学既是高度分化又是高度综合的，学科分化与融合并进，传统学科不断分化出新的分支，而学科交叉研究不断地发展出新的研究领域，重视学科交叉融合将使科学向着更深层次和更高水平发展。从钙钛矿发光的几个方面，我们看到了多学科深度交叉融合如何起到了至关重要的作用，这一作用也必将延伸下去，推动钙钛矿发光发展成真正实用化的技术。我们期待更多研究领域中的多学科深度交叉融合，突破传统思维屏障，孕育出新的科学研究范式和颠覆性的技术创新。
论文地址
作者简介
王建浦，博士，南京工业大学教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者（），“长江学者”特聘教授（），现任先进材料研究院常务副院长，江苏省柔性电子重点实验室常务副主任，国家自然科学基金重大研究计划集成项目（项目名称：基于维度调控的高性能钙钛矿发光）与国家重点研发计划-中国与欧盟合作项目（项目名称：钙钛矿光电子）负责人。获得江苏省“双创计划”、江苏省杰出青年基金、江苏省特聘教授等人才项目支持。参与创办自然出版集团旗下学术期刊npjFlexibleElectronics并任常务副主编，任中国科协和美国科学促进会联合创办的旗舰学术期刊Research副主编，以及美国化学会期刊JournalofPhysicalChemistryLetters编委。于年获剑桥大学卡文迪许实验室博士学位，曾在三星电子韩国总部从事有机发光（OLED）显示的研发工作，解决了全色显示面板寿命受限于蓝光器件的问题，发明专利已得到大规模商业应用。目前主要研究兴趣为有机及钙钛矿光电子器件与物理，是国际上钙钛矿LED相关研究的开拓者之一，多次创造钙钛矿LED效率纪录，引领了此领域的发展。成果以第一或通讯作者身份发表在Nature、NaturePhotonics等高水平期刊上，并入选年度“中国高等学校十大科技进展”、年度“中国科学十大进展”30项候选和年度“中国光学学会光学科技奖”一等奖。
彭其明，博士，南京工业大学副教授，国家优秀青年科学基金获得者（）。年在吉林大学获得物理化学博士学位，-年在深圳市华星光电技术有限公司OLED研发中心担任主任工程师，年加入南京工业大学先进材料研究院工作至今。长期致力于有机/钙钛矿光电器件及其物理问题的研究：首次实现了双线态激子发光的OLED，突破了传统有机电致发光理论框架，从源头上解决了三线态激子利用问题；发展了一种利用磁场效应原位研究LED的方法，阐明了器件中的多种物理机制；率先实现了外量子效率超过20%的顶发光钙钛矿LED。近年来，在NatureMaterials、Light:ScienceApplications、AdvancedMaterials等高水平学术期刊上发表论文40余篇，被引用余次，H指数19；参与撰写学术专著3部；以第一发明人获授权美国专利2项、中国专利4项；主持多项国家级和省部级科研项目。
光功能纳米材料与肿瘤光学治疗展望
刘庄*，冯良珠
苏州大学，功能纳米与软物质研究院
摘要：近二十年来，光功能纳米材料因其具有优越的光热转化与光敏化能力而被广泛研究用于肿瘤光学治疗，并展现出了良好的临床转化潜力。本文结合作者自身的科研经历，展望了基于光功能纳米材料的肿瘤光学治疗在其未来的临床转化过程中所面临的挑战与机遇，倡导相关科学家直面制约肿瘤光学治疗临床转化的若干问题，共同推进肿瘤光学治疗在临床中的应用，早日造福广大肿瘤患者。
1引言
恶性肿瘤(即癌症)是严重威胁我国居民生命健康的重大疾病之一。鉴于目前临床常用的手术、化疗、放疗等肿瘤治疗手段存在着疗效有限、毒副作用大等缺点，发展更为安全、高效的肿瘤治疗手段一直是多个学科的一个共同的目标。近二十年来，得益于纳米技术的飞速发展，一系列具有独特光学性质的纳米材料(光功能纳米材料)被成功地制备出来，并在肿瘤治疗方面展现出了良好的应用前景。与传统的肿瘤治疗手段相比，肿瘤光学治疗具有创伤小、毒副作用低、选择性好等优点。因此，大量具有光热转化能力的纳米材料(如：碳纳米材料、金纳米结构、二维拓扑绝缘体纳米材料、有机聚合物与小分子)以及具有光敏化能力的纳米材料被广泛研究用于肿瘤光热治疗或光动力治疗。最近，美国莱斯大学的Halas教授在一项Ⅱ期临床试验中，利用金纳米壳的光热效应来治疗前列腺癌患者并取得了良好的治疗效果。然而，目前大多数的研究都聚焦在光功能纳米材料的设计构建，仅在细胞水平和小动物水平对其肿瘤治疗效果进行初步评价，尚未深入探究其临床转化潜力。鉴于肿瘤光学治疗良好的临床转化前景，将来我们在这一前沿交叉领域的研究必须努力克服制约其临床转化的诸多问题，加快推进其在临床肿瘤治疗中的应用。
2.肿瘤光热治疗临床转化所面临的挑战与机遇
肿瘤光热治疗是利用光热试剂(即吸光纳米材料)在激光照射下产生的热量来直接杀灭肿瘤细胞，其核心在于发展具有良好生物安全性与高效光热转化效率的光热试剂。目前，制约肿瘤光热治疗临床转化的主要问题有以下几个方面：(1)光热试剂的体内滞留时间长且难以分解代谢；(2)光热试剂的光热转化效率有待提高；(3)光热试剂的肿瘤递送效果较低且存在明显的个体差异；(4)激发光的组织穿透深度有限(1cm)且易造成周边正常组织损伤等。
考虑到目前绝大多数的纳米材料，尤其是无机纳米材料，静脉注射后会在肝、脾等器官长时间地富集，进而对机体造成潜在的毒副作用。因此，我们在开发光热试剂时必须重点考察其生物安全性，我们应该集中精力开发在生理条件下可快速分解代谢且元素组成更为安全的纳米材料；同时，我们应发展血红蛋白、黑色素等内源性的吸光材料作为肿瘤光热试剂。另外，由于肿瘤光学治疗中常用的近红外激光的组织穿透深度小于1cm，目前肿瘤光学治疗仅对浅表组织的一些小体积肿瘤具有比较好的治疗效果，而在大体积肿瘤与深部肿瘤的治疗方面存在着明显的局限性。尽管可以通过増加激发光的功率来提高肿瘤光热治疗的效果，但这必将会对肿瘤周边组织造成较为明显的损伤。针对这一问题，一方面，我们可以开发具有高光热转化效率的吸光材料，例如，彭孝军院士最近构建了一种基于氟硼二吡咯分子的自组装纳米颗粒，其光热转化效率高达88.3%；另一方面，我们可以通过将光热治疗与介入治疗、手术切除(术后淋巴结光热清扫)、免疫治疗等方法有机整合来协同杀灭肿瘤，这将进一步拓展光热治疗的应用范围。除此之外，我们还可以通过优化其表面修饰、偶联靶向分子等策略来提高光热试剂的肿瘤富集效果；同时，我们还亟需开发具有更好普适性的肿瘤靶向策略，来减少因个体差异造成的材料富集差异。
3.肿瘤光动力治疗临床转化所面临的挑战与机遇
肿瘤光动力治疗是利用光敏剂在激光照射下将氧气分子转化成具有细胞毒性的活性氧自由基来杀灭肿瘤细胞。目前，光动力治疗已在多个国家被批准用于治疗食管癌、膀胱癌、肺癌等肿瘤，以及鲜红斑痣、尖锐湿疣等皮肤病。但是，受制于光敏剂光敏化效率低、激光的组织穿透深度小、病灶部位的氧气浓度低等原因，光动力治疗目前在治疗范围与治疗稳定性方面还存着一定的不足，而且与其他治疗手段相比，其治疗效果也未体现出绝对的优势。此外，由于小分子光敏剂经静脉注射后会在皮肤等器官长时间的富集，这将会给患者带来严重的毒副作用。
近年来，得益于纳米医学领域的快速发展，我们可以通过构建合适的纳米递送体系提高光敏剂的肿瘤递送效率来提高光动力治疗的疗效。在此基础上，我们有望通过构建刺激响应性纳米递送载体来实现光敏剂在肿瘤部位可控激活，以避免光敏剂对皮肤等组织造成严重的光毒性。与肿瘤光热治疗类似，我们可以通过结合光纤介入或利用内源性生物发光等手段来解决光源对光动力治疗疗效的影响，同时还能够推进光动力治疗在大体积肿瘤和深部肿瘤的临床治疗中的应用。另外，鉴于光动力治疗能够通过诱导肿瘤细胞发生免疫原性死亡而诱导机体产生特异性的抗肿瘤免疫反应，有研究表明通过将光动力治疗与免疫佐剂、免疫检查点阻断剂等联用后可以有效地提高肿瘤治疗效果。除此之外，我们认为通过提高肿瘤部位的氧气供应来提高光动力治疗的疗效也将是一种行之有效的策略。
4展望
到目前为止，肿瘤射频消融、微波消融、高强度聚焦超声(HIFU)、以及基于磁性纳米颗粒的磁热治疗等已经被批准用于相关肿瘤的热消融治疗，传统光动力治疗已经被批准用于肿瘤皮肤病等的临床治疗，多种纳米递送体系(如DOXiL，Abraxane)也被批准进入临床应用。我们认为这些成功的经验将有力地推动肿瘤光学治疗的临床转化进程。但在此之前，我们必须解决光功能纳米材料的生物安全性、光热转化或光敏化效率、肿瘤靶向递送效率等问题，光功能纳米材料的开发将是肿瘤光学治疗临床转化进程中的限速步骤。同时，受制于激发光的组织穿透深度能力不足，肿瘤光学治疗必须与光纤介入等技术结合，这样才能拓展其临床应用范围以及对大体积肿瘤和深部肿瘤的治疗效果。另外，由于肿瘤光学治疗能够有效地刺激患者的免疫系统并产生特异性的抗肿瘤免疫反应，将肿瘤光学治疗与免疫治疗联用有望进一步提高对原发肿瘤和转移肿瘤的临床治疗效果并有效防止肿瘤复发。综上所述，尽管肿瘤光学治疗是一种较为新颖的治疗手段且存在着需要亟待解决的问题，但我们始终认为肿瘤光学治疗的临床转化是有据可依、有章可循的，肿瘤光学治疗有望在不远的将来造福广大癌症患者。
论文地址
作者简介
刘庄，年于美国斯坦福大学(StanfordUniversity)获得化学博士学位；年至年在斯坦福大学化学系以及医学院从事博士后研究。年6月加入苏州大学功能纳米与软物质研究院，被聘为教授，博士研究生导师。在纳米生物材料领域从事研究，近年来在纳米生物材料的设计构建、基于纳米技术的肿瘤微环境调控以及基于生物材料的肿瘤免疫治疗方面取得了一系列创新成果；共发表学术论文余篇，论文总引用超过50,次，SCIH-index。年获国家杰出青年基金资助；年入选长江学者特聘教授；年受邀成为英国皇家化学会会士（RSCFellow）；年入选美国医学与生物工程学会会士（AIMBEFellow）；-年连续入选汤森路透社(ThomsonReuters)发布的“全球高被引科学家”（HighlyCitedResearchers）（化学、材料）；任生物材料领域国际著名期刊Biomaterials杂志副主编和多个国际主流期刊编委。
冯良珠，年苏州大学获得化学博士学位；-年澳门大学中华医药研究院从事博士后研究。年11月加入苏州大学功能纳米与软物质研究院，被聘为助理教授，年7月晋升为副研究员。近年来围绕仿生纳米生物材料的设计构建、肿瘤微环境调控与肿瘤联合治疗等方面开展研究。迄今，在Chem.,J.Am.Chem.Soc.,ACSNano,NanoLett.,Adv.Funct.Mater.,Biomaterials,Small等国际知名期刊上发表学术论文90余篇，他引11余次，SCIH-index44，年入选了汤森路透社(ThomsonReuters)发布的“全球高被引科学家”（HighlyCitedResearchers）。
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