導電高分子的光電特性及應用
時間:2005-06-13
導電高分子除了的PA外，尚有以下幾類，包括：雜環聚合物：polypyrrole (PPy)、polythiophene (PT)、芳香族聚合物：polyaniline (PAn)、poly(p-phenylene) (PPP)、不飽和碳氫及芳香族并存的聚合物poly(phenylene vinylene) (PPV)等 (圖四)。這些高分子早在1977年以前即被合成出來，但到PA被發現經摻雜而大幅提高導電度之后，才被廣泛研究。各類高分子因有不同電子結構，故各具有不同光電、導電、電化學等特性，因而有不同應用方向。如引進不同機能之機團于主鏈及側鏈，更可調節其光電特性及溶解性，擴大應用范圍。未經摻雜者為半導體，經摻雜后為導體，除各具有與無機半導體及導體類似之特性外，在組件制作時尚有可低溫加工、可大面積化、可撓曲等特性，故具有低制作成本及獨特組件特性之優點，對未來電子及信息工業將產生巨大影響。導電高分子之應用，大致可分三類：(1)半導體特性，(2)導體特性，(3)電化學摻雜/去摻雜之可逆性。其工業化目前尚在萌芽階段，僅有少數工業品出現，例如利用其導體特性的固態電容器、抗靜電及防蝕涂料等。
(1)發光二極管(light-emitting diode，LED)
發光二極管是于半導體中以電激發產生電子與電洞，經偏壓使電荷載子再結合放出光子的電致發光(Electroluminescence, EL)組件。此種半導體材料廣泛見于無機III-V族化合物。1990年，英國劍橋大學Cavendish Laboratory的研究群，在poly(phenylen vinylene) (PPV) (化合物1)共軛高分子晶體管組件的研究中，發現共軛高分子具有電致發光的特性，自此高分子發光二極管開始廣泛的被研究，它也是共軛高分子最重要的一個應用，其工業化已是在呼之欲出之階段。圖五為高分子發光二極管組件結構，主要為兩電極間夾共軛高分子薄膜的三明治結構，為使發射的光可被看見，有一方必須是透明電極(一般使用ITO玻璃)，另一電極則為低工作函數(work function)的金屬(如Al, Ca, Mg等)鍍膜。表一所示為使用于發光二極管之典型高分子結構，其光色可由能隙之調整而改變。發光層及電極如制成圖案或畫素，則有發光顯示器之功能，由于省電、無視角限制（圖六）、響應快，將來可能取代液晶顯示器(LCD)。由于LCD工業在國內是僅次于半導體之第二大光電產業，為迎接未來新顯示器時代之來臨，我國學研界及多家光電廠商已介入此新顯示器之研發。
(2)場效晶體管(Field effect transistor, FET)
FET組件構造以金屬-半導體接面為例，由緊密接觸的金屬層與半導體層所組成，具有整流功能。圖七是典型的有機場效晶體管組件示意圖，有機半導體層是共軛寡聚體***ithiophene單晶，而絕緣層則是絕緣塑料PMMA，相較于無機硅晶半導體的長晶及絕緣層的氧化制程，有機FET的制程簡易且條件較不嚴苛。在制作主動式高分子發光顯示器（polymer light-emitting diode, 簡稱PLED）時，亦可以使用高分子FET為驅動組件，簡化制程，降低制作成本。
(3)電變色組件
共軛高分子經由電化學氧化還原之電荷轉移，在能帶間隙間生成新的能階，使電子轉移能量降低而有新吸收光譜(吸收波長較長)，此種因電化學氧化還原反應所產生的變色現象即稱為電變色(electrochromic)。例如聚苯胺(polyaniline，化學結構見圖四)，它有兩個以上不同的氧化還原狀態，因此具有多重電變色性質，其電變色范圍為透明黃-綠色-深藍色-黑色，這在顏色顯示上具有明顯的對比性。此種電變色性，加以共軛高分子之可撓曲性、大面積涂布加工性及分子設計/合成多樣性等特質，在汽車防眩后視鏡、光信息儲存組件、太陽眼鏡、軍事用途護目鏡、飛機駕駛艙遮篷及智能窗(smart window)等可控制電變色性質的應用上具有極大的發展潛力。
(4)可反復充放電電池
共軛導電高分子在電化學摻雜后，導電高分子電極即與對應電極及電解質構成一個蓄有電能之電池，若加一負載而放電，導電高分子即進行去摻雜，此摻雜/去摻雜 (充電/放電) 為一可逆反應。在共軛高分子中，以聚苯胺為電極之研究報導最多，因它具有價廉、能量密度高、循環壽命長、和低自身放電等優點。以聚苯胺/鋰離子電池為例，其理論電容量約為148Ah/kg(以聚苯胺重量計算)，筆者實驗室之研究結果顯示實際容量可達134Ah/kg已接近市售手機電池中，正極鋰錳氧化物及鋰鈷氧化物之電容量，但前者較后兩者的之價格要低很多。
(5)其它應用
導電高分子尚可制成太陽電池，其結構與發光二極管相近，但機制卻相反，后者將電能轉換成光，而前者則將光能轉換成電能。利用其半導體與導體特性以及電化學行為對外界物質的響應，導電高分子亦可制成生醫傳感器、光、電、氣體、有機蒸汽之偵測器。利用摻雜后之導電性及可溶性，導電高分子可應用于固態電容器、抗靜電及電磁波遮蔽涂布。
未來展望
分子設計：以導電高分子為基材之光電組件(polymer-based electrionics)，目前雖僅少數被工業化，但其原理均已確認可行，相信不久將可逐件開發完成，展開嶄新的高分子電子產業。“分子設計”未來將在此新領域之推展上扮演一個極重要的角色，例如設計高分子鏈(主鏈及側鏈)之結構，使分子鏈間呈現有序堆棧，來控制電子在空間依特定方式分布，以達到特定之光電性質。
分子級電子組件：另一個新的挑戰是“分子級電子組件”(molecular electronics)研究。現在電子工業已能制造次微米級電子組件，但其尺寸離分子級仍大一個級數。將來可以將周期表中元素組合成復雜高階規則結構，使它具有特殊機能，而單一導電高分子鏈則可作為傳遞訊號之導線。例如，人類視覺神經組織之分子結構(如圖一(c)所示，但－CH2OH以－C＝O取代)即為共軛高分子，當見光后，分子構型即由反式轉成順式，而達成訊號之傳遞。將來以人工合成具有與人類視覺系統相同功能之分子級傳感器應該是可能的。此外計算機之動態內存及運算速度亦將因分子級電子組件之利用而提高幾個級數，而其整體尺寸則將大幅縮小。
