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1、高聚物在电子行业中的发展与应用 高聚物在电子行业中的发展与应用 万琳，李莹莹（洛阳理工学院材料科学与工程系，河南洛阳471023） 摘要：随着高分子科学与电子工业的发展，高聚物因其易成膜、工艺简单等特性开始在晶体管的研究中受到越来越多的重视。对高聚物在电子工业中的发展与应用作了总结与回顾，分析了高聚物电子器件的形成与机理，并对常见的高聚物电子产品进行了介绍与前景预测。 关键词：高聚物；晶体管；LED DOI:10.3969/j.issn.1674-5043.2010.03.004 中图分类号:TQ317文献标志码:A文章编号:1674-5043(2010)03-0012-03 1947年 ，S
2、hockley 、Bardeen 和Brattain 在Bell实验室做出了第一个晶体管。此后几十年间，无机材料，特别是Si，一直在电子行业中占据着主导地位，而有机材料则主要被用作绝缘体。但是，随着人们对电子产品需求量的增加，以及对产品性能要求提高，越来越多的高聚物材料开始被关注，并逐步被用在不同产品的生产与制造上。目前，用电致发光的半导体高聚物制作显示器的研究已经比较成熟，高聚物LED显示器作为第一类高聚物电子产品已经进入市场。 1高聚物在电子行业中的发展概况。 1.1高聚物在电子行业中的优势。 众所周知，Si之所以被广泛应用于电子行业，是因为它的半导体特性。同样，高聚物被应用于电子行业，也
3、具有一些独特的优势。 1）高聚物的制备简单。高聚物可由溶液直接制备，制造高聚物电子产品的设备也相对简单便宜，有时甚至可以用“喷墨打印机打印电路”。而硅基晶体管和集成电路的生产都需要在超净和定温定压的环境里进行，需要投入大量的能源与资金。 2）高聚物制备后处理环保。高聚物基电子产品的生产要求低，而且使用后的有机材料也较好处理，从环保的角度来看，这也是高聚物基电子产品的一大优势。 3）高聚物的机械性能优越。高聚物的另一大优势是机械性能独特：质轻，柔韧性好，耐用，耐压，可在大面积上成膜。 4）可以自由选择化学成分。高聚物在电子产品中应用的最大优势，在于可以根据产品要求自由选择化学合成成分。在合成过程
4、中，每个单体都有自己的电特性，高聚物材料的功能可以根据应用要求自由地调节。 1.2高聚物在电子行业中的发展 高聚物电子器件的研究始于1977年 ，Alan Heeger 、Alan MacDiarmid 和Hideki Shirakawa将 I掺杂在共轭聚乙炔薄膜中，得到了高聚物导体，并以此发表了第一篇关于高聚物导体的论文。从此，高聚物电子产品研究的序幕拉开了，这三位科学家也因这一发现获得了2000年的诺贝尔化学奖。随着新概念和新思路的发展，越来越多的高聚物电子产品被研制出来。目前，高聚物导体已经被广泛地应用在抗静电、抗腐蚀涂层和电磁干涉屏蔽等不同领域。例如，在1998年 ，Philips实验
5、室研制出了第一个全功能的高聚物集成电路和变压器，实现了高聚物晶体管应用的零突破。 一般来说，应用在电子行业中的高聚物都是由共轭聚合物合成的，C-C和 C=C在 主链上交替出现，C=C可移动电子使合成材料具有较宽的带隙。如果利用氧化或还原在材料中掺杂电子或空穴，材料可具有良好的导电性，导电率甚至可以达到与铜相近。大部分高聚物半导体的第一类电子跃迁是-*跃迁，所以这类材料大都是高荧光性的，可被用在高聚物LED之类的光电设备上。目前，对于高聚物半导体的研究主要集中在提高载流子的稳定性和迁移率上。对于共轭的材料来说，电子迁移主要是沿着共轭主轴进行的，但是由于大部分有机材料结构不规则，使得电子在分子间或
6、聚合物主链节点间迁移很难进行。为了改善这一点，可以利用hopping：利用对载流子的热激发隧道效应来对有机材料里的电子迁移进行有效地控制3。Hopping主要发生于空间和能量均属无序的局部状态，因此有效的电子迁移主要取决于共轭节点的排列。已经有研究表明，如果有机化合物的排列有序度很高，它的迁移率可达到与多晶硅同一数量级。Schon等4用化学气体沉积法在室温下生成了二萘嵌苯单晶基的有机半导体，电子迁移率可高达=5.5 cm2V-1s-1。随着研究的发展，高聚物的电子迁移率日渐提高，到2001年，已经与无定形硅的数值相当(数据来源：Bell Labs)。但是对于高聚物半导体的工艺来说，电子迁移率仍
7、然不够高，而电子迁移率低会导致高聚物电子产品的性能低于其他无机材质的同类产品，这成为高聚物在电子行业发展中急需解决的一个主要问题。例如电脑处理器，用无机材质可达到1 GHz的频率，但是用目前的高聚物材质，只能得到1 kHz的频率。所以，如何提高高聚物中载流子的迁移率已经成为目前的研究方向与热点所在。 与高聚物晶体管相比，高聚物LED对载流子的迁移率要求并不高，所以高聚物半导体作为电光材料在LED方面的研究进展地更为成熟，并且顺利从实验室转入市场，成为第一类高聚物电子产品。对于发光材料来说，共轭部分的有序与交互作用甚至会造成部分的光损失。目前第一代的高聚物LED已经有效地满足了对于绿光和红光的发
8、射要求。在今后对高聚物LED的研发当中，将聚焦于开发具有一定稳定性的可有效发射蓝光的全色显示高聚物材料。 目前对于有机器件的使用寿命还不能给出较为详尽的说明。一些专门的文献能够给出高聚物材料的本征稳定性和寿命，但是器件的磨损、商用产品所需的关键界面结构等，都使得本征数值发生极大的变化。已有的高聚物LED显示器的材料和结构的数据只能证明利用高聚物作为功能材料制成的产品具有极高的稳定性，其性能要优于高聚物在电信工业中的应用。而对于在电信工业中的晶体管来说，其稳定性受到更多本征参数的影响，所以在实现商业化应用之前，还需要更多的应用研究。 2高聚物在电子行业中的应用现状。 2.1 最成熟的聚合物电子产
9、品高聚物LED。 1990 年，Richard 与他的同伴在发现共轭高聚物电光现象的同时，开启了对于高聚物LED的研究之门。1991年 ，Philip的 研究团队开始研究可发光的具有半导体性能的高聚物在LED上的应用。在化学工业界与学术界的众多团体的通力合作下，1998 年，Philips 终于解决了各种高聚物LED产品商业化的难题，并开始致力于小型矩阵显示器的生产。因此，性能稳定的矩阵显示器被看作是建立在高聚物电子技术基础上的第一代产品。第一代高聚物LED矩阵显示器只是单色的显示器，当时主要被用在手机的显示屏幕上，汽车工业也有应用。随着技术的进一步发展，人们开始尝试利用喷墨印刷工艺将红、绿、
10、蓝三种颜色的发射性高聚物溶液喷涂成有图案的薄层，附着在惰性矩阵结构上，用来形成全色的矩阵显示器。成功实现这一目标，利用喷墨式印刷工艺生产全色矩阵显示器的论文5最初发表于2001年。 对于高聚物LED来说，目前的技术已相对比较成熟，所以不做赘述。 2.2电子行业突破性技术的基础高聚物晶体管。 随着计算机芯片的发展，人们追求电脑更快的速度和更小的尺寸，就像Moore定律指明的：每三年性能要翻一倍。为了适应发展需求，不断有新技术来完善Si的制造工艺，硅基集成电路的复杂程度与集成程度也日益提高，这就意味着芯片的制造工艺对外界环境的要求也越来越高，超净操作间的能量与资金消耗成指数增长。所有这一切都促使新
11、的材料进入电子行业中。 早在1986年 ，Tsumura和他的同伴就指出有机半导体可以用来制造晶体管6。一个场效应管的示意图如图1所示。 第3期万琳等高聚物在电子行业中的发展与应用13图1中的源极、漏极和栅极都可以用高聚物导体来制作，例如掺杂过的聚苯胺。至于半导体部分，可以用聚噻吩(polythiophene)或聚噻吩基乙烯(polythienylenevinylene)的薄膜来代替，膜的厚度一般为100 nm左右，衬底则可以用任何工程塑料7。 虽然高聚物晶体管早就可以制造，但是简单的晶体管用处不太大，对于电子行业的影响有限，直到1998年，高聚物电子器件的研究才出现了真正的突破。在这一年，由
12、物理化学家Dago de Leeuw 领导的Philip实验室的一组研究人员成功地做出了第一块全功能的高聚物集成电路，这标志着一个新的数字时代的诞生。Dago de Leeuw 和他的同伴成功地将326个晶体管集成在一个具有弹性的衬底上，形成了一个由逻辑电路和15位 可编程的二进制码组成的数字型的15位码发生器。这个发生器提供的独特的数字编码可以通过添加天线在远程读出，这为实现电子条形码遥控节省了大量的金钱。生产制造全高聚物的集成电路(半导体部分、导体和绝缘体薄膜部分都适用高聚物)费用较低，产品弹性好，质轻，可弥补硅基集成电路应用性上的不足，所以高聚物集成电路技术并不是构成了对硅基材料的威胁，
13、而是进一步开发了集成电路新的应用领域。 高聚物晶体管不仅可用于集成电路，还可以用于显示器的制造。利用高聚物晶体管制造的活性矩阵屏幕，每个像素都可以通过聚合物晶体管自由开关。活性矩阵开关技术适用于液晶显示器，特别是大尺寸的显示屏幕，比如在笔记本电脑上的应用。具有良好机械性能的高聚物可以制成符合人们使用需求的、质轻且薄的、不易碎的显示屏幕。 对于高聚物晶体管的研究与开发从来没有停止过，人们一直在不断地研究开发性能更优、适用性更强的晶体管。有报道称，葡萄牙新里斯本大学(New University of Lisbon)的研究人员于2008年成功研制了首款用纸层制成的晶体管。作为地球上最重要的生物高聚
14、物，纤维素在晶体管制造业上的成功应用预示着高聚物晶体管的发展会越走越远。 3结语 高聚物电子器件的研制与开发是一门新兴的、很有前途的技术，可以被应用在各个领域。当然，单一的高聚物电子器件或是集成电路与传统的较成熟的硅基器件相比，还有很多的不足之处，而且大部分成果距离投入市场商业化还需要一段时间。但是，高聚物电子器件以其独特的特性引起越来越多研究者的关注，可以预见在不久的将来高聚物电子器件必将对传统的电子行业产生深刻的影响，为人们的生活带来更迅捷、更便利的变化。 参考文献： Shirakawa H,Louis E J,MacDiarmid A G,et al.Synthesis of elect
15、rically conducting organic polymers:halogen derivativesof polyacetyleneJ.J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,1977(16):578-580. Drury C J,Mutsaers C M J,Hart C M,et al.Low-cost all-polymer integrated circuitsJ.Appl.Phys.Lett,1998,73(1):108-110. 3Vissenberg M C J M,Matters M.Theory of the field-effect mobility i
16、n amorphous organic transistorsJ.Phys.Rev.B,1998,57(20):12964-12967. 4Schon J,Kloc C,Batlogg B.Perylene:A promising organic field-effect transistor materialJ.Appl.Phys.Lett,2000,77(23):3376-3378. 5Duineveld Paul C,Margreet M de Kok,Michael Buechel,et al.Inkjet Printing of Polymer Light-Emitting Devi
17、cesJ.Proc.SPIE,2002(59):59-67. 6Tsumura A,Koezuka H,Ando T.Macromolecular electronic device:Field-effect transistor with a polythiophene thin filmJ.Appl.Phys.Lett.,1986,49(18):1210-1212. 7Burroughes J H,Bradley D D C,Brown A R,et al.Light-emitting diodes based on conjugated polymersJ.Nature,1990,347(11):539-541.
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