國家講座成果專區
以電子與光電高分子及高分子奈米材料為教學及研發主軸，除從事前瞻學術研究外，並將所開發技術移轉化學材料產業開發高附加價值材料技術，且培育產業界所需高階研發人力。研究成果共發表460篇英文期刊論文，(詳如申請資料之代表作及參考著作) ，所發表期刊論文多數發表於各子領域排名前15%重要期刊，所發表論文總被引用數超過15000次(以所有資料庫搜尋，從事教職後所發表論文之h-index :65)，且有30篇論文之引用數超過100次，以著作聯絡人發表之論文被選為期刊封面文章計有25篇，另獲頒61項國內外發明專利，並將所開發24項技術移轉化學材料產業開發高附加價值材料技術，技轉及產學合作總金額約1.3億元，茲將重要研究成果敘述如下：
(一)、電子與光電高分子：高分子半導體為軟性電子光電或能源元件之關鍵材料之一，申請人於此領域研發超過三十年，主要研究重點在於由電子施體及電子受體之分子設計控制材料之電子、光學或光電特性，如電子或電洞能階位置、電荷傳輸特性、能帶隙、及光物理特性，並進一步操控其於分子排列及結構形態，再藉由製程條件最適化將其應用於發光元件、薄膜電晶體、太陽能電池、記憶體元件、整合性軟性電子元件及穿戴式元件。近期亦將生質材料導入電子元件為基板或主被動膜層，以製備環境永續之綠色電子元件。重要研究成果敘述如下:
1. 高分子薄膜電晶體:研究重點在於利用側鏈或骨架工程控制高分子之微結構及拉伸機械性質，以製備兼具高電荷遷移率和拉伸性之高分子電晶體開發。例如以Fused thiophene ring為核心之雙軸延伸高分子半導體，其電洞遷移率高達0.64 cm2/Vs ， 電流開關比~107，且可於大氣下穩定近三個月 (Macromolecules, 2015); 進一步導入長鏈分枝側鏈及氟取代基於雙軸延伸fused thiophene ring，可同時控制微結構和提升電荷遷移率及拉伸性之非結晶性高分子(Chem. Mater., 2020); 以雙軸延伸發現thiophene–isoindigo 共軛高分子於軟板 5 mm 彎曲半徑下之電荷遷移率可達1.0 cm2/Vs (Polym Chem., 2016); 另以carbosilane軟鏈段導入Isoindigo-based共軛高分子之側鏈，電荷遷移率可高達8.06 cm2/Vs 且其電流開關比高達 106，於60%拉伸條件下，仍維持1.0 cm2/Vs (Macromolecules, 2016)，且利用開發polyimides塑膠基板之全高分子薄膜電晶體ACS Appl. Polym. Mater.，2020，期刊封面文章) 。研究並發現以carbosilane軟鏈段鏈長之奇偶數效應，偶數側鏈擁有較佳之共軛堆疊及高電荷遷移率數，其中側鏈碳鏈數10時於100%拉伸條件下，仍維持高電荷遷移率1.0 cm2/Vs以上 (Macromolecules 2019) ，進一步研究三種側鏈carbosilane side chain (Si-C8), siloxane-terminated side chain (SiO-C8), and decyltetradecane side chain (DT) ，發現非對稱側鏈Si-C8/DT擁有3D堆疊之edge-on/face-on結構，而擁有高電荷遷移率，且在100% strain 條件下，維持90%以上之電荷遷移率 (ACS Appl. Mater. Interface, 2019)。另一有效提升高分子半導體之拉伸長期穩定性方法，為導入具有氫鍵作用力之側鏈(例如poly(acrylate amide)，Polym Chem. (2019)，期刊封面文章; ACS Appl. Mater. Interface (2020)，期刊封面文章)或者以側鏈基團之分枝設計、親疏水性或對稱性控制微結構排列而進一步提升其電荷遷移率及拉伸性 (Macromolecules 2020; 2021; Polym. Chem. 2021; ACS Appl. Polym. Mater. 2021)。亦可將軟鏈段導入嵌段共聚物 (P3HT-b-PBA, Macromolecules (2017))或隨機共聚(Diketopyrrolopyrrole-Terpolymers, ACS Appl. Mater. Interface, 2020)或拉伸式彈性介電層(ACS Appl. Mater. Interface, 2017), 使其同時具備拉伸所需之機械性質及電子特性，上述材料在穿戴式元件極具應用潛力。
2.高分子太陽能電池:研究主要利用高分子能階或奈米微結構提升太陽能元件效率，近期著重於開發可拉伸高分子太陽能元件。早期開發雙軸延伸thiophene vinylene高分子半導體，擁有高電洞遷移率、高太陽能電池光電轉換效率，且由於其擁有低HOMO level，因此太陽能電池元件於空氣中之穩定性遠高於 P3HT( Macromolecules, 2012) ，後進一步探討coplanarity 及spacer對電荷遷移率及太陽能元效率之影響 (Polym Chem., 2015) 。其後研究含奈米銀之導電奈米纖維，藉由不同纖維圖案控制導電度及電漿共振 增益效應大幅提升高分子半導體之太陽能電池效率約20% ，並發表於能源領先期刊Adv. Energy Mater. (2014，期刊封面文章)。導入高分子半導體奈米顆粒於含銀粒子之電紡奈米纖維，不僅具電漿共振增益效應並藉由能量轉移提升吸收強度，進而提升太陽能電池效率約20%，成果獲選為J. Mater. Chem. A 之封面內頁文章(2015)，上述研究成果並獲中華民國發明專利第I538753 (2016)和I544649號(2016);日本專利特許第5844839號(2015);US Patent 9761354 B2(2017)，且技轉長春人造樹脂( 2015)。近年來使用共軛高分子與橡膠blend，poly[(9,9-bis(3′- (N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFN) and nitrile butadiene rubber，可同時提升太陽能電池電荷萃取及抗拉伸能力(ACS Appl. Mater. Interface 2019, 10, 20712-21720) ，或使用極性交聯嵌段共聚物poly(n-butyl acrylate)-block-poly(N-vinyl-1,2,4-triazole)同時提升元件效率及長期穩定性 (ACS Appl. Mater. Interface, 2019)。
3.有機電子記憶體元件:研究重點為以奈米微結構為電荷傳輸層或儲存層控制電或光驅動之有機記憶體元件特性。例如開發 n 型有機半導體奈米導電線薄膜電晶體式記憶體元件(為文獻於有機奈米線記憶體元件之第一篇報導)，可由奈米線直徑或表面親疏水性調控記憶視窗，且特性遠較薄膜為佳(Adv. Funct. Mater. , 2012)。首度使用一維靜電紡奈米纖維的高分子半導體P3HT/金納米粒子複合通道製備新穎的非揮發性快閃電晶體式記憶體在聚乙烯酯軟性基板，由金納米粒子以自組裝單分子薄膜之對苯硫酚基的對位取代基控制記憶特性，即使是1000次反覆彎曲循環，元件依然保持可靠性和穩定性 (Adv. Funct. Mater., 2013，封面內頁文章)。提出結合“雙浮動閘極”、“雙極性的電荷載子捕捉”和“分散的捕捉點”知創新概念，製備高性能非揮發性有機場效式電晶體結構的記憶體，擁有寬的記憶體視窗，低的功耗，長時間數據保留特性，寫入/抹除耐力和雙極性(電洞/電子)捕捉等特性( Adv. Mater. , 2015, 封面內頁文章)。進一步研究以半導體奈米粒子或電子施體受體核殼形奈米粒子作為有機半導體場效應電晶體之電荷儲存層，可同步提高記憶視窗及增加長期穩定性，Adv. Funct. Mater. (2015，封底文章) 及Macromol. Rapid Commun. (2019，期刊封面文章) 。另外發現以光波長控制鈣鈦礦/聚苯乙烯浮動閘極作為pentacene電晶體式非揮發記憶體元件特性，且為多階層可重複讀寫之元件記憶特性( Adv. Mater. 2017) ，而進一步以不同高分子PS、PVPh、PMMA及PMAA與鈣鈦礦前驅物之物理相容性控制鈣鈦礦之成長晶粒大小及結晶度，進而控制其光記憶元件特性 (Nanoscale 2018)。近期以高分子半導體/絕緣體摻合物為Pentacene有機半導體場效應電晶體之電荷儲存層，可以製備不同波長控制之多階層高性能光記憶元件(ACS Appl. Mater. Interface 2019) ;更進一步透過分子設計開發具共軛硬桿‒柔曲鏈段的P型及N型材料，作為電荷儲存的光感性浮動閘極，由於所開發的電荷儲存材料與半導體層具有相同核心共軛結構，而材料之柔曲鏈段扮演電荷阻隔(4 – 6奈米)角色，且其自組裝規整奈米結構大幅提升元件的性能再現性，因此所開發元件可於0.1伏特的極低電壓操作下，記憶開關比例最高可達105倍，其光驅動範圍更接近涵蓋全可見光譜 (Adv. Mater., 2020) ，更進一步以共軛硬桿‒柔曲鏈段的P型及N型材料製備全新 Organic Optical Sensing Inverter (OOSI) 作為人工視網膜設計，擁有高辨識解析度以及超快速感應時間，只需在極小電壓下變化判斷就可產生有意義的電訊號，更有利於提供光透過時快速影像辨識(Adv. Sci.2021, 期刊內頁封面)。近期以利用施體－受體型網絡結構，有效形成電荷轉移超分子作為電荷儲存的光感性駐極體，使光生激子能率先消除電場寫入之電荷外，再藉由電荷轉移複合體中的反向電荷留存，進而達到雙向記憶體寫入之特性，且藉由半導體層和駐極體層間光頻譜的搭配，且具備多重光驅動範圍，快速光響應速度(1秒光操作下達104之記憶開關比例)，且維持逾106倍的長期穩定性(Adv. Funct. Mater., 2021, 期刊內頁封底)。
4.含生質材料之電子元件: 研究重點為以不同構型或微結構之生質材料為電荷儲存層或基材製備綠色電子元件。例如以醣類聚苯乙烯嵌段共聚物為高分子薄膜電晶體之電荷儲存層, 藉由溶劑退火控制電荷儲存層奈米結構，進而控制元件特性 (Adv. Funct. Mater. 2014，封面內頁論文，中華民國發明專利I576357(2017)), 進一步以溶劑退火程序控制不同分子量之醣類聚苯乙烯嵌段共聚物之微結構及方向性，而提升記憶元件特性(ACS Appl. Mater. Interface, 2020) 。另外發現以寡醣類為有機半導體場效應電晶體之電荷儲存層，發現其擁有write-once-read-many之記憶特性，且擁有極高之開關比及長達數個月之穩定性(Adv. Mater. 2015，期刊插頁文章)。進一步以軟鏈段導入醣類橡膠嵌段共聚物， carbohydrate-block-polyisoprene，開發同時擁有高拉伸性但擁有記憶穩定性之記憶元件(Adv. Funct. Mater. 2017; NPG Asia Mater. 2016) ; 近期製備軟鏈段polybutylacrylate核心及星狀醣類嵌段共聚物，不僅提升其電荷儲存視窗，且其類似交聯結構，使其在極度拉伸條件下較線性構形，擁有較為優越之物理性質穩定特性 (Macromolecules 2018)。另外以生物基材DNA吸附奈米銀線制備透明電極及元件，在穿戴式元件具應用性 (Chem. Commun. 2016)，進一步以生質聚酯基材物理吸附奈米銀線，可製備導電性極佳且耐彎曲500次以上之導電電極，應用於高分子長效應電晶體及有機太陽能電池，其特性可與ITO電極結果近似( Macro. Rpaid. Commun. 2018) 並獲中華民國發明專利第I637986號(2018)及 第I641483號(2018)，且獲頒科技部未來科技突破獎(2018) 。近期使用生質左旋結構poly-L-lysine為高分子太陽能電池之電子萃取層及可修飾功函數， 不僅使高分子太陽能電池光電轉換效率可達10%以上，且可維持在操作400小時後效率維持80%以上，且其分子排列緣故,其效率遠較右旋結構為高( J. Mater. Chem. C 2019) 。而以生質材料為基板(Polyethylene Furanoate , bio-based polyimides)製備高性能記憶體或薄膜電晶體元件，於綠色循環電子元件極具應用潛力(ACS Sus. Chem. Eng., 2020; 2021(期刊封面文章) 。
(二)、高分子奈米材料：研究方向主要利用奈米纖維或嵌段共聚物所形成之奈米結構，以空間侷限進一步控制其光電物理特性及後續元件應用，另外亦藉由分子間作用力或化學結構控制無機相之尺寸型態，以進一步製備奈米光電複合薄膜。重要研究成果敘述如下:
1.高分子奈米纖維: 主要研究興趣在於利用奈米纖維研究重點包括在於利用電極設計、核殼結構設計或流量控制所製備電紡奈米纖維之結構型態，再以奈米纖維(或奈米線)之高比表面積及幾何空間限制控制高分子半導體之發光特性，而應用於高敏感度光感應元件或電子傳遞性而應用於光電元件(中華民國發明專利第I 617710號(2018)及第I 631250號(2018))，並可利用電極設計控制所得電紡纖維之定向性(中華民國發明專利I338059)。近期重要研究成果將熱交聯鏈段導入Fluorene之三嵌段共聚物，於水中可重複多次螢光感測之奈米纖維(ACS Appl. Mater. Interface 2012; Polym Chem. 2015)，並與交大孟心飛教授開發高螢光感測鋅離子奈米纖維且與細胞具有極佳之相容性(Adv. Funct. Mater. 2013)，上述研究並與紡織綜合所共同研究應用於智慧型紡織品，或透過螢光材料與橡膠間之氫鍵物理作用，控制聚集尺度並兼顧拉伸穩定性，製備高亮度可拉伸電紡奈米纖維及不織布 (Macromol. Rapid Commun, 2018)。近期開發以一步電紡技術開發製備鈣鈦礦/高分子核殼型電紡多色緞螢光奈米纖維，鈣鈦礦奈米晶粒型態可由前驅溶液組成和殼層之高分子溶液控制，進而控制其發光波段及效率所製備鈣鈦礦/高分子核殼型奈米纖維其螢光亮子效率可高達30.9%，且其螢光特性在相對濕度85%下經過一個月仍可維持50%之螢光強度(Small, 2018，封底文章)。進一步製備熱塑性TPU/鈣鈦礦拉伸式奈米纖維，其螢光效率可於100%拉伸條件下，重複拉伸1000次，仍可維持高效率多色發光(ACS Appl. Mater. Interface 2019) 。近期利用電紡高分子半導體奈米纖維，可在5倍拉伸條件下維持其半導體特性，在拉伸式電子元件極具潛力 (J. Mater. Chem. C, 2020，封底文章); 亦製備電紡高分子半導體/鈣鈦礦奈米複合纖維且展現多階層光記憶體元件特性( Adv. Mater. Techno., 2021).
2. 嵌段共聚高分子:藉由各種不同的驅動力，例如嵌段比例、側鏈長度、溫度、嵌段軟硬度以及極性大小等等，控制高分子自組裝排列及微結構形態。本研究在於製備含共軛基團或鏈段之不同構形嵌段共聚高分子，並藉其自組裝特性及共軛基團的π-π作用力形成不同的奈米結構形態，再進一步操控其電子光電特性及其元件應用。例如以共聚物奈米結構及超分子材料概念控制acceptor之聚集尺度和分佈，而進一步調控其記憶元件特性，包括PStFl-b-P2VP/PCBM, PF-b-P2VP/PCBM, PS-b-P4VP/PCBM, PS-b-P4VP/grapheme oxide, PF-block-polystyrene 和PF-block-poly(δ-decanolactone)s等材料系統，並發表於Soft Matter (2012)、 Chem. Commun. (2012)、 Chem. Commun. (2014)、Polym. Chem. (2014)、Macromol. Rapid. Commun. (2020)、和J. Mater. Chem. C (2021) ACS Appl. Mater. Interface (2021)。以星狀三苯胺臂數控制有機半導體之記憶特性，並發現具有多層電壓控制多階層記憶特性，而可為write-many-read-many記憶體( NPG Asia Mater., 2013)。研究開發立體規則雙結晶性嵌段共聚物P3HT-block-syndiotactic polypropylene並以型態及溶劑提升其電子遷移率高於P3HT (Macromolecules, 2013)。另外發現以電子施體受體高分子，poly(3-hexylthiophene)-block-pendent poly(isoindigo)(Piso)及polyfluorene-block-Piso ，可同時兼具電荷傳輸及電荷儲存取代傳統兩層式電晶體式記憶體(Adv. Funct. Mater. 2016; NPG Asia Mater. 2016)。近期製備Polyimide-block-polydimethylsiloxane，不僅可控制其阻抗式記憶元件特性，亦可維持於拉伸條件下之機械及電性 (Polym. Chem. 2018)。另外亦製備具高拉伸穩定性之螢光薄膜Polyfluorene-block-polyisoprene，且可形成發光微孔洞材料 (Polym. Chem. 2018)。近期研究以共軛鏈段poly(3-hexylthiophene) (P3HT: A block)/彈性鏈段poly(octylene oxide) (POO: B block)嵌段共聚物結構序列AB-type, ABAtype, and BAB-type，發現ABA結構排列遠較其他兩種穩定，且其所製備電子記憶體元件，可於拉伸50%條件下維持500次以上之穩定性(Polym. Chem., 2019) ，另外結合半導體硬鏈段高分子 P3HT (poly(3-hexylthiophene))與軟性生物來源高子PDL (poly(δ-decanolactone))之軟-硬-軟型三嵌段型共軛高分子(AB、BAB、B2AB2 與B3AB3型高分子 (A: P3HT, B: PDL)) ，與直線型嵌段高分子相比，分支型軟鏈段(branched soft segments)被證實能顯著提升嵌段共軛高分子之拉伸性 (Macromolecules, 2020, 期刊封面文章) ，上述材料於穿戴式感測元件極具應用潛力。
3. 高分子奈米複合光電材料：高分子無機奈米複合材料在電子、光電、能源、生醫及民生已展現其應用潛力，然而如何精準控制無機結構形態、於高分子之分散性、調控其光學特性包括折射率、吸收係數、雙折射率及抗反射率、導入特殊功能基團及加工應用性仍極具挑戰性。本研究重點為利用分子結構設計、新合成、形態控制以及奈米加工技術，導入高折射率金屬氧化物奈米晶粒於透明高分子，並應用於高折射率塗膜、抗反射膜、光通訊波導元件、LED透明封裝材料及高耐熱高透明性軟性電子基板，上述技術與國內材料或化學公司進行技術移轉或產學合作以落實所開發技術超過40項。另外藉由新感光改質劑導入可開發低體積收縮高感光性高解析之光學材料，除發表於J. Mater. Chem. (2012)，並獲中華民國發明專利I399395(2013) 、I419914(2013)、I432324(2014)及 I439509 (2014)，且技轉長春人造樹脂( 2013)、奇美實業( 2012)及台灣中油(2013)進行光學膜、LED封裝材料及軟性電子用高透明性耐熱塑膠基板研發。與邱文英教授合作開發polystyrene-silver核殼式導電材料可應用於透明電極(J. Mater. Chem. C 2015)，由於對複合光電材料及綠色材料之成果，獲邀於材料領先期刊J. Mater. Chem. A 撰寫回顧論文 (2018)。近期並以環保導電水膠作為基材，製備可拉伸高性能超級電容，可重複充放電2000次以上，且於拉伸1000次以上，維持其電容特性 (J. Power Source 2019)。
