浅谈共轭导电高分子及其光电应用 - 亿库教育网

1、浅谈共轭导电高分子及其光电应用高分子(Polymer)，望名思义就是分子结构庞大、分子量高的物质；换言之，在分子主链上具有单键、双键(或参键)交替之共轭结构，使电荷或电子可沿着分子链或跨分子链运动，因而具导电性的高分子量物质，及谓之共轭导电高分子(Conjugated Conducting Polymer)。共轭导电高分子具本质导电性(Intrinsic Conductivity)，导电度的变化可由掺杂(Doping)前的10-1210-9 S/cm增加至掺杂后的103 S/cm，或者更高。导电度的高低视共轭结构上非定域化(Delocalized)之电子的浓度及其移动速度而定。换言之，共轭导电

2、高分子主链接构的本质特性、规则性、分子量分布，以及侧链官能基的大小、立体形状、推拉电子的能力等都是影响导电度高低的因素；这和传统无机材料的导电机制不同。由于具有导电能力以及对光透明、薄、质轻、抗拉强度强、可在常温加工等有机高分子材料的特性，使其正积极地被研发在前瞻且具创新性之光电及生化产业。例如：用来作为可弯曲之薄型轻量化的便携式有机电激发光组件、具高能量密度的有机二次电池、及生化组件之检测平台等，应用上极具发展潜力。本文即针对以上三种尖端应用领域作简要介绍。(一)有机电激发光组件有机电激发光组件(Organic Electroluminescent Element)，又称为有机发光二极管(O

3、rganic Light Emitting Diode，OLED)，其结构如图一所示。首先在玻璃或塑料基板的表面镀一层透明ITO导电电极，当作电洞发射层(厚约30400nm，面电阻100 /cm2)；然后在透明导电电极上镀一层或多层有机发光层，最后在有机发光层上方镀制另一具低功函数(Low Work Function)之金属导电电极，当作电子发射层(Li, Mg, Ca, Al, Ag, In等及其合金，厚约100400nm)。当有机电激发光组件加上偏压后，电洞与电子分别从正、负极出发，越过各自的能障后在有机材料层相遇、结合成激子(Exciton)，并以辐射的方式由激发态(Excited St

4、ate)回到基态(Ground State)，同时放出光来。就目前的研究显示，欲降低电激发光组件(EL组件)的操作电压，并提高其亮度及量子效率，可分别在ITO电极与发光层及金属电极与发光层间分别加上电洞传递层(Hole-Transport Layer)与电子传递层(Electron-Transport Layer)来达成。由于有机发光层材料选用的差异，有机电激发光组件又可概分为小分子有机电激发光组件及高分子有机电激发光组件两种。此两种有机电激发光组件之发光层的制程技术亦不相同。有机EL组件目前已可做到高亮度、高效率之红、蓝、绿三原色光，以及白光，具有低操作电压、厚度薄、无需背景光源、大发光面积

5、、无视角限制、高应答速度、可挠曲性、制作容易等优点。因此可应用在替代光源、行动电话和笔记型计算机之显示器、汽车仪表板和高信息容量之点矩阵式平面显示板上。其显示器之性能多项优于目前的液晶显示器，因此可望成为下一代的平面显示器。(二)有机二次电池所谓二次电池(Secondary Cell)简单的定义就是“可反复充电、放电，循环使用的电池”，譬如现在很热门、很普遍的行动电话及手提电脑里的镍氢电池和锂离子电池，都属于二次电池；而有机二次电池即是以高分子有机材料为主的二次电池，其结构如图二所示。二次电池的好坏决定在电池是否有高的安全性、高的质量电荷容量、高的能量密度、高的充放电稳定性、高循环寿命；以及可

6、否质轻量少、快充慢放、大面积化，甚至具挠曲性、容易制作、且价格便宜。现在市面上的行动电话讲究的除了要收讯良好外，还要轻、薄、短、小、炫；其中要做到轻、薄、短、小，关键点就在于如何改善其内装电池的性能，使电池在极小的体积里有最佳、最稳定的电池表现。目前公开发表的共轭导电高分子二次电池已可做到充电次数超过200次、电池电压3.23.5V、活性高分子之重量能量密度600Wh/Kg、电容量185Ah/Kg (N. Oyama, T. Tatsuma,T. Sato and T. Sotomura, Nature, 373, 598 (1995)，此结果比部分镍氢和锂离子二次电池都要出色。由于共轭导电高

7、分子二次电池具有质轻、加工容易、易大面积化、具挠曲性、高能量密度等优点，要取代镍氢和锂离子二次电池是指日可待之事。 (三)生化检测组件将细菌、蛋白质、抗体、及酵素等具特定构形(Conformation)及性质的生化物质予以固定化(Immobilization)在无机基材，并应用在各种生化检测组件(Biosensor)上，这在现今之生物技术领域是重要且热门的学问；而如何制作出稳定性高、应答速度快、低成本、无毒性的生化检测组件，则是各方学者专家一致努力的目标。相信多数成人都有上医院抽血检查的经验，若要知道检查结果，常常需等上一个星期，为什么？其中除了检验报告的整理、归档等行政处理时间外，检测组件的

8、应答速度慢是主要原因之一。以检测是否有B、C型肝炎为例，传统的做法是让检体与检测组件上的抗体进行配对，所需的时间要数小时以上，这还不包括检测前、后处理的时间。如果中间有配对不清楚、无法判断、需重新做确定等情形发生，检测的时间就更长了。现有检测组件(如：Biochip)的制作，部分的做法是在微小电极(Microelectrode)表面以电浆法(Plasma)蒸镀一层具反应活性基团的高分子或寡分子载体(Support Matrix)，此载体可与生化基团反应，进而将特定之生化物质键结在电极上(如图三所示)；而一个Biochip就是由数十个甚至数百个分别键结有数种或数十种不同生化键断的微小电极组合而成

9、。将Biochip施予偏压做检测分析时，检体与检测组件上的生化物质会依序排列，若有配对成功的键结，就表示检体里含有接在Biochip上的特定物质，可能是细菌、抗体、酵素等。由于共轭导电高分子具导电性，将其取代传统的载体材料，在简化微小电极的制程及缩短检测组件的应答时间上都有明显的改善。 结语20世纪初“高分子”的被发明，将人类使用材料的历史由传统的兽皮、木材、陶土、钢铁，自然而然地带入高分子化的时代，且迅速发展。但由于一般高分子的电阻相当高，不具导电性，在许多精密、高科技的应用上仍无法取代金属及无机材料，应用范围有其限制；然而这种情形在共轭导电高分子的被发现而逐渐改善。共轭导电高分子的应用除了本文介绍的以外，在温度及有机溶剂指式器(Indicator)、电子工业的抗静电涂布(Antistatic Coating)、金属抗腐蚀处理(Anticorrosive Treatment)、光化学电池(Light Electrochemistr