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导电高分子的光电特性及应用

时间:2005-06-13
关键词:导电 分子 光电 特性 应用 来源:互联网
   导电高分子除了的PA外,尚有以下几类,包括:杂环聚合物:polypyrrole (PPy)、polythiophene (PT)、芳香族聚合物:polyaniline (PAn)、poly(p-phenylene) (PPP)、不饱和碳氢及芳香族并存的聚合物poly(phenylene vinylene) (PPV)等 (图四)。这些高分子早在1977年以前即被合成出来,但到PA被发现经掺杂而大幅提高导电度之后,才被广泛研究。各类高分子因有不同电子结构,故各具有不同光电、导电、电化学等特性,因而有不同应用方向。如引进不同机能之机团于主链及侧链,更可调节其光电特性及溶解性,扩大应用范围。未经掺杂者为半导体,经掺杂后为导体,除各具有与无机半导体及导体类似之特性外,在组件制作时尚有可低温加工、可大面积化、可挠曲等特性,故具有低制作成本及独特组件特性之优点,对未来电子及信息工业将产生巨大影响。导电高分子之应用,大致可分三类:(1)半导体特性,(2)导体特性,(3)电化学掺杂/去掺杂之可逆性。其工业化目前尚在萌芽阶段,仅有少数工业品出现,例如利用其导体特性的固态电容器、抗静电及防蚀涂料等。

(1)发光二极管(light-emitting diode,LED)
发光二极管是于半导体中以电激发产生电子与电洞,经偏压使电荷载子再结合放出光子的电致发光(Electroluminescence, EL)组件。此种半导体材料广泛见于无机III-V族化合物。1990年,英国剑桥大学Cavendish Laboratory的研究群,在poly(phenylen vinylene) (PPV) (化合物1)共轭高分子晶体管组件的研究中,发现共轭高分子具有电致发光的特性,自此高分子发光二极管开始广泛的被研究,它也是共轭高分子最重要的一个应用,其工业化已是在呼之欲出之阶段。图五为高分子发光二极管组件结构,主要为两电极间夹共轭高分子薄膜的三明治结构,为使发射的光可被看见,有一方必须是透明电极(一般使用ITO玻璃),另一电极则为低工作函数(work function)的金属(如Al, Ca, Mg等)镀膜。表一所示为使用于发光二极管之典型高分子结构,其光色可由能隙之调整而改变。发光层及电极如制成图案或画素,则有发光显示器之功能,由于省电、无视角限制(图六)、响应快,将来可能取代液晶显示器(LCD)。由于LCD工业在国内是仅次于半导体之第二大光电产业,为迎接未来新显示器时代之来临,我国学研界及多家光电厂商已介入此新显示器之研发。
(2)场效晶体管(Field effect transistor, FET)
FET组件构造以金属-半导体接面为例,由紧密接触的金属层与半导体层所组成,具有整流功能。图七是典型的有机场效晶体管组件示意图,有机半导体层是共轭寡聚体***ithiophene单晶,而绝缘层则是绝缘塑料PMMA,相较于无机硅晶半导体的长晶及绝缘层的氧化制程,有机FET的制程简易且条件较不严苛。在制作主动式高分子发光显示器(polymer light-emitting diode, 简称PLED)时,亦可以使用高分子FET为驱动组件,简化制程,降低制作成本。

(3)电变色组件
共轭高分子经由电化学氧化还原之电荷转移,在能带间隙间生成新的能阶,使电子转移能量降低而有新吸收光谱(吸收波长较长),此种因电化学氧化还原反应所产生的变色现象即称为电变色(electrochromic)。例如聚苯胺(polyaniline,化学结构见图四),它有两个以上不同的氧化还原状态,因此具有多重电变色性质,其电变色范围为透明黄-绿色-深蓝色-黑色,这在颜色显示上具有明显的对比性。此种电变色性,加以共轭高分子之可挠曲性、大面积涂布加工性及分子设计/合成多样性等特质,在汽车防眩后视镜、光信息储存组件、太阳眼镜、军事用途护目镜、飞机驾驶舱遮篷及智能窗(smart window)等可控制电变色性质的应用上具有极大的发展潜力。
(4)可反复充放电电池
共轭导电高分子在电化学掺杂后,导电高分子电极即与对应电极及电解质构成一个蓄有电能之电池,若加一负载而放电,导电高分子即进行去掺杂,此掺杂/去掺杂 (充电/放电) 为一可逆反应。在共轭高分子中,以聚苯胺为电极之研究报导最多,因它具有价廉、能量密度高、循环寿命长、和低自身放电等优点。以聚苯胺/锂离子电池为例,其理论电容量约为148Ah/kg(以聚苯胺重量计算),笔者实验室之研究结果显示实际容量可达134Ah/kg已接近市售手机电池中,正极锂锰氧化物及锂钴氧化物之电容量,但前者较后两者的之价格要低很多。

(5)其它应用
导电高分子尚可制成太阳电池,其结构与发光二极管相近,但机制却相反,后者将电能转换成光,而前者则将光能转换成电能。利用其半导体与导体特性以及电化学行为对外界物质的响应,导电高分子亦可制成生医传感器、光、电、气体、有机蒸汽之侦测器。利用掺杂后之导电性及可溶性,导电高分子可应用于固态电容器、抗静电及电磁波遮蔽涂布。
未来展望
分子设计:以导电高分子为基材之光电组件(polymer-based electrionics),目前虽仅少数被工业化,但其原理均已确认可行,相信不久将可逐件开发完成,展开崭新的高分子电子产业。“分子设计”未来将在此新领域之推展上扮演一个极重要的角色,例如设计高分子链(主链及侧链)之结构,使分子链间呈现有序堆栈,来控制电子在空间依特定方式分布,以达到特定之光电性质。
分子级电子组件:另一个新的挑战是“分子级电子组件”(molecular electronics)研究。现在电子工业已能制造次微米级电子组件,但其尺寸离分子级仍大一个级数。将来可以将周期表中元素组合成复杂高阶规则结构,使它具有特殊机能,而单一导电高分子链则可作为传递讯号之导线。例如,人类视觉神经组织之分子结构(如图一(c)所示,但-CH2OH以-C=O取代)即为共轭高分子,当见光后,分子构型即由反式转成顺式,而达成讯号之传递。将来以人工合成具有与人类视觉系统相同功能之分子级传感器应该是可能的。此外计算机之动态内存及运算速度亦将因分子级电子组件之利用而提高几个级数,而其整体尺寸则将大幅缩小。