學術探奇

能屈能伸的手機,穿在身上的高科技──中大化學專家開發有機半導體,發掘各式各樣的潛在科技應用機會

化學系繆謙教授

化學系
繆謙教授


不怕折斷的手機屏幕、偵察氣體洩漏的感測器,裝配身上的醫療器具......這些突破性產品的面世指日可待,全賴化學家對有機半導體的研究成果。中大化學系副教授繆謙教授是當中佼佼者,他帶領團隊試驗以有機物料代替傳統的無機半導體,製作很多裝置電路中必要的薄膜電晶體。

目前最常用的半導體物料是無機性質的矽,需要高溫生產而用上大量能量,將沙轉化成矽的工序亦十分繁複;相反,生產有機半導體只需要室溫,利用簡單的打印技術,而且比起無機物料,有機半導體靈活可塑,可以製作輕量而超大型的裝置。這種特質能打造彎曲自如的介面,如機械人指尖的「電子皮膚」。

可扭曲的手機屏幕(圖:  <em>Armin Kübelbeck, CC-BY-SA, Wikimedia Commons</em>)

高等矽的電荷傳輸效率非常高,在製作如電腦的中央處理器是必須的。然而,對於較簡單的產品如電腦或電視屏幕,低等矽已經足夠,可以有機半導體取代。此外,繆教授也嘗試用有機半導體製作放大電氣訊號的電晶體,與其他分子互動反饋而產生警示,從而感測裝置有否洩漏氣體。

氮雜並五苯類半導體(N-heteropentacene)

繆教授來自成都,專門研究有機及材料化學,尤其熱衷於開發功能性物料,結合高性能與革新功能。繆教授指自己的角色是示範新半導體的潛能,然後由業界開發。他自喻為園丁而不是廚師,只會做基本的菜式;但這位園丁,其實最清楚這些物料的發揮潛能無限。

三星製作了180度扭曲的電話屏幕或遊戲機控制盤,經過捶擊測試,屏幕絲毫不損,用矽造的話則肯定會破裂。然而,這個原型的大規模生產成本過高,所以挑戰在於開發成本合理而具效率的生產方式。有機半導的應用亦見於太陽能電腦袋,只要揹在背上,袋便會自動為袋中的手提電腦充電,但這產品亦只是處於原型階段,離投產尚遠。

到目前為止,繆教授認為自己在這領域最重大的研究成果,是創造了一種氮雜並五苯類的N型有機半導體。他研究有機半導體的化學結構,發現在常見的並五苯類P型半導體中,以四個氮原子取代碳原子,可以將物料轉化為高性能的N型半導體。將P型半導體(例如由碳、氫組成的並五苯)與含有氮原子的N型有機半導體結合,可以造出高效率的電路。

繆教授解釋道:「目前N型有機半導體的開發,落後於P型半導體。」P型並五苯的五環結構中有二十二個碳原子,繆教授和研究人員嘗試以不同數目的氮原子取代碳原子,先是兩個、然後六個,最後發現取代四個原子是最好的組合。繆教授指出,這樣溶液加工N型有機半導體達到的電荷傳輸最快,而且原材料是價廉的二氨基苯和苯醌,容易取得。

目前的最大挑戰,是找出簡單的方法製作有機半導體。一開始,繆教授需要利用高真空製作N型半導體,他認為不夠理想,因為成本昂貴。後來,他成功利用表面改性技術,透過溶液生產半導體薄膜;這種技術相對簡單而成本較低,近日已取得專利。他目前和機械工程師合作,製作大面積感測應用的電路,希望達到更簡單、更有成本效益的製作方法。

倘中英文版本出現歧義,概以英文版本為準。


本文出自中大網頁(2015年3月)

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繆謙 化學系 理學院 有機半導體 納米技術 教授