有机光电半导体

有机光电半导体 有机光电半导体重要里程碑是导电高分子conducting polymer的发明美国的物理学家Heeger教授、化学家MacDiarmid教授、日本的化学家Shirakawa教授共同发现针对具有半体特性的共轭高分子conjugated polymer作电化学搀杂可以大幅提高其导电性使之成为导体。这三位科学家因为这项重要的发现获得2000年的诺贝尔化学奖。1980年代至1990年代初期由於几项具有启发性研究结果的揭露与报导有机光电半导体及自从1947年贝尔实验室发明第一颗电晶体以来半世纪多来半导体技术、应用及产业蓬勃发展一般较为大家所熟知的半导体材质主要是无机的半导体材料例如矽晶与三五族衔半导体但事实上在半导体开始蓬勃发展的1950年代也同时有一些科学家研究以有机分子材料组成的有机半导体表1图1从1950年代到1960年代陆续有科学家报导各种有机半导体的物理特性、电气传导特性、各种光电现象如光导 photoconductivity及电致发光electroluminescence等之研究结果与理论在当时这些相关的研究结果虽然尚未能促成一套具有足够规模的技术或产业但是也奠定了后来几十年后及今天有机光电半导体及元件技术及应用的学理基础。1970年代美国全录公司Xerox发明影印机其中引入一项核心的有机光电半导体元件有机光导体organic photoconductor简称OPC作为将光学影像信号转换为电信号乃至於最后之碳粉影像的关键媒介是第一个大量导入商业应用之有机光电半导体元件。有机光导体及至今日仍然是各种影印机及雷射印表机的核心关键组件大家如果拆开常用的雷射印表机碳粉匣其中圆桶状之装置即为有机光导体所构成之有机感光鼓。可以说没有有机光导体就没有今天的雷射印表机、影印机等电子写真/印刷技术 electrophotography/electronic printing的便利。1970年代另外一件有机光电半导体发展的文??图吴忠帜表1有机光电半导体及元件发展大事纪1947贝尔实验室发明电晶体1950年代 -Worksoncrystalorganicsemiconductors-Photoconductivityindyesporphyrinsetc.1960年代Electroluminescencefromorganiccrystalanthracene1970年代 -OrganicphotoconductorsOPC-Conductingpolymer1986Donor-acceptorheterojunctionorg anicsolarcellsfromKodak1986FirstpolymerPTtransistorfromMitsubishi1987Efficientmulti layerorganicLEDsfromKodak1990ConjugatedpolymerLEDsfromCambridge1990s-Dye-s ensitizedsolarcells1991-Polymerbulk-heterojunctionsolarcells1995-Organictransistorswit holigomerssince19902000HeegerMacDiarmidShirakawa因导电高分子获诺贝尔奖NTU Alumni Bimonthly No.6720台大学术资产半导体研究元件技术及应用的研发可说是获致了全面性的复兴。1987年美国柯达公司的邓青云博士和VanSlyke利用真空蒸镀的方法以有机小分子发光及电荷传输材料形成多层有机发光二极体heterostructure 大幅降低有机发光元件电压、提高效率确立了OLED元件的实用性。1990年剑桥的研究群报导以共轭高分子为发光材料之高分子发光二极体 由於高分子材料的便利制程很快引发了PLED的研究热潮。自此以后各种光色的OLED技术持续进展使OLED成为一项重要的显示器技术。近年由於白光OLED效率不断提升大家也开始倡议白光OLED於照明之应用。1986年美国柯达公司的邓青云博士C.W. Tang发表施体受体异质结构donor-acceptor heterojunction的有机太阳能电池organic solar cells/photovoltaics OSC/OPV概念透过光激发方式在施体分子donor与受体分子acceptor间造成光致电荷转移photo-induced electron transfer产生自由电子和电洞透过外部电极加以收集光电流而达发电效果。此种概念到了90年代初期继续延伸应用在后续的染料敏化太阳能电池dye-sensitized solar cells DSSC、高分子奈米结构太阳能电池bulk nano-heterojunction polymer solar cells奠定今天各种奈米有机太阳能电池技术的基础。1986年日本的Mitsubishi公司首度报导了使用共轭高分子为半导体的有机薄膜电晶体organic thin-film transistor OTFT其后也陆续有科学家报导利用小分子及寡聚物oligomer为半导体之高性能有机薄膜电晶体。自此半导体技术中重要的电晶体元件也能够以有机半导体来实现有机光电半导体元件家族可说是全员到齐了。1990年以后有机光电半导体、有机电子和光电子元件研究与应用快速进展一般而言有机电子及光电子材料及元件由於具有良好的机械韧性和低温制程使其可以很容易地制作在任何轻、薄甚至可挠的基板上如塑胶基板有重量轻、可挠曲卷折、制程便利、可作大面积用途等特点激起了人们制作轻便及可挠式显示器、积体电路、光电系统以及可印刷式电子/光电用品的梦想预期将产生许多与传统无机半导体区隔之应用。笔者在1990年代初於美国攻读博士学位期间适逢当时欧美各国有机光电半导体及元件相关研究方兴未艾因缘际会得以参与有机光电半导体及元件之研究进行博士论文之研究作为一个新兴的研究课题与研究领域当时有机光电半导体及元件之研究可说是俯拾皆是题材、皆是课题研究者多充满著热情与兴奋感。笔者在1997-1998之际毕业返国从事研究教学工作很幸运地又刚好赶上近年来台湾科技研发与产业几项相关且重要的潮流对於有机光电半导体及元件研究的热诚因而得以延续。SOOn AlOONNON NRRNRRNRRIr图1一些有机光电半导体分子的例子。一方面在1997-1998之际正是台湾平面显示器产业TFT-LCD起飞的年代台湾的显示器公司如雨后春笋般相继成立除了TFT-LCD获得极大的关注外当时OLED也被相当多公司及研发单位视为是继TFT-LCD之后重要的次世代显示器技术有相当大的期待全盛时期台湾至少有超过10家以上之公司投入OLED显示器之研发与事业化虽然后来一些公司因体会OLED技术仍需投入相当资源研发、暂时无法达到TFT-LCD之经济规模而退出但在当时对於OLED/有机光电半导体及元件研究者而言可说是提供了相当大之研究发展空间以及奥援。另一方面从1990年代中期起台湾的研究学者感受到世界上有关有机光电半导体及元件的研究脉动开始积极有计画地投入有机光电半导体及元件相关研究不过当时台湾从事有机光电半导体的研究学者多半是在化学、材料及物理领域在电机/光电领域的研究学者仍少见以笔者电机/光电领域的专长背景相对於国内其他相关研究学者刚好互补因此能在有机光电半导体及元件的研究上与许多卓越的研究者有相当大的合作空间透过这样的合作笔者充份地体会到跨领域研究的乐趣与威力。此外近年来随著电子技术与人类生活之进步全球的研究都在寻求更为轻薄短小、符合人因 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 、便利携带、柔软安全、可自由卷曲适合行动的多功能电子技术与产品因此软性电子技术预期将为产业结构和人类生活带来革命性的变化近年来无论是学术界或工业界都益发积极投入相关研发而国内也在行政院召开的2005年及2006年“产业科技策略会议SRB”中宣示将软性电子列为发展重点。这些也赋予有机光电半导体及元件的研究者相当强的研究动机。在这些背景之下笔者於1998年很幸运地能获得母校光电所及电机系任教的机会当时国内的电机、光电及电子相关系所半导体之教学研究主要还是无机半导体对於有机半导体或是没听过、或是半信半疑几乎没有具备有机光电半导体及元件专长及背景的师资换言之本系所师长非常具有胆识在当时愿意给我这样的机会尝试。回到台大任教后我们在台大建立了电资学院第一个有机光电半导体及元件的实验室建构了有机光电材料与元件研究所需之制程与光电量测设施如图2。这些设施的建立允许我们 对有机材料、薄膜及元件特性作深度而广泛的探讨并得与其他校内外及国内外化学、材料之同仁进行跨领域合作研究。在这些基础之下笔者近年来致力於有机光电半导体、元件、显示、照明、软性电子技术相关之研究与教学在电资学院持续开授有机光电半导体与元件的课程在研究方向则包括深入了解有机光电半导体及元件之图2有机光电半导体及元件实验室一隅。NTU Alumni Bimonthly No.6722台大学术资产半导体研究基础物理以及创新的技术与应用方向包括1显示、照明技术之研究如图3、图4致力於高效率、高画质之有机发光元件与显示、照明技术薄膜电晶体以及元件/显示光学等之研究2有机光电半导体元件之研究致力於有机半导体与光电元件之物理与技术包括发光/雷射元件有机发光薄膜电晶体感光元件感测元件等3有机光电半导体与材料之基础吴忠帜小 档案 肢体残疾康复训练教师个人成长档案教师师德档案表人事档案装订标准员工三级安全教育档案 1990台大电机工程学系毕业1997获美国普林斯顿大学电机工程博士学位1997-1998任职於工业技术研究院电子所1998年起受聘台湾大学电机工程学系、光电工程研究所、暨电子工程研究所担任助理教授2002年升任副教授2006年升任教授2007年起兼任电机系副系主任。研究兴趣与专长主要为有机光电半导体与元件、透明/氧化物半导体与元件、显示/照明技术、软性与透明电子、奈米科技等。曾开授有机光电半导体与元件、显示技术、半导体元件物理、奈米电子等相关课程。图4软性电子元件与电路。图3红蓝绿及白光有机发光元件。物理之研究包括有机半导体中之载子传输、电荷转移与光物理/光学特性与机制、时间解析光谱术、有机半导体之物相/相变如非晶、液晶、等向性、非等向性、分子排列、形态、分子形态以及分子结构与物性、光电特性关系等之研究。笔者回到台大任教这些年来随著国内OLED显示产业、软性电子/显示产业、能源/太阳能产业等之开展有机光电半导体及元件等应用日趋广泛并逐渐为大家认知及接受有越来越多人才投入相关的研究。以台大电资学院来说目前有好几位教授从事有机光电半导体及元件相关的研究而在理学院、工学院系所也都有从事相关研究的教授相信大家的合作互动会越来越多可激发出越来越多的火花。而笔者最高兴的莫过於对电资学院的学生来说有机光电半导体与元件已不尽然是一个陌生页僖傻难?瘛,咀ㄌ獠呋电机系林茂昭教授胡振国主任