分子结构排列对半结晶性共轭高分子拉伸性之影响

MaterialsViews · 2017-03-15

软性可拉伸元件在这几年在学术界与产业界成为一重要的课题，主要是因为此类元件可以满足制备在各样不同曲面(如球型、不规则型表面等)的需求，也可以紧密地的紧贴在人体活动关节与皮肤上，然而过去传统的无机半导体虽然具备有高电子响应能力，但由于其刚性使得在此拉伸元件应用上受到很大的限制，因此开发具有高度可拉伸性且高电子特性之半导体在次世代软性穿戴元件或是电子皮肤应用开发上有着极为迫切的需要。高分子半导体由于具备有可弯曲且可拉伸特性，而且可以利用低成本溶液制程来制作半导体元件，因此被认为是最有机会成为成次世代之软性可拉伸电子元件的主要半导体材料。近几年来，高分子半导体有着众多的突破与进展，其电荷传导特性已经可以提高到0.1~10 cm2 V-1s-1，超越非晶性硅半导体元件，随着半导体特性提升的同时，却使得其材料结晶区域排列顺向性变得更好，但却易裂，难以承受高度拉伸形变，因此如何设计出一高分子材料可以保持其电子特性同时又具高度可拉伸性，是目前产业与科学界中最重要的挑战之一。

美国斯坦福大学化工系鲍哲楠教授团队与台北科技大学李文亚助理教授以及台湾大学吕谦博士为了找寻这个课题之答案，设计了一系列不同主链与侧链结构的共轭高分子。藉由控制主链上噻吩(thiophene)的个数以及高分子侧链结构(直链或是分支链)，可以进一步控制高分子之结晶排列结构，此排列结构对于高分子电荷传输能力以及抗拉伸性有着极为重要的关键影响。当高分子半导体本身是具备有Face-on晶向排列结构时，也就是高分子层状堆栈主要是沿着平面方向排列，拉伸形变会显著增加高分子层状堆栈之晶面距离(lamellar d-spacing)如同将碳链结晶相形变，因此对于晶体管元件之破坏会较高，但相对的，对于拥有Edge-on晶向排列的结构，拉伸方向与较强之π-π结晶相方向平行对其结晶排列的影响较小，也就容易维持其元件在高拉伸形变下的电子特性表现。藉由不同的化学结构，他们团队成功制备出可拉伸的共轭高分子可以在100%拉伸形变下，依旧具有不错的电荷传导能力(0.1 cm2 V-1s-1)。此研究带给在设计可拉伸半导体材料一个新的思考方向。

相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials （DOI: 10.1002/aelm.201600311）上。