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title: 有機半導體，預習
tags: [海外]

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課前預習篇，看得出來大多為GPT整理，但也是有上網查看資料，但整理的部分還是AI好用ww(主要還是時間不多XPP我的問題，我會進行補充或一些留言大家可以找找看:)

但不得不說這一部分的難度，上網查的資料是需要更多的搜尋來了解
# **有機半導體簡介**

有機半導體是一類由碳基分子或聚合物所組成的可導電材料。過去人們普遍認為「有機物不導電」，但隨著化學與材料科學的進步，我們發現有機分子的 π 電子雲可以在分子間跳動，只要設計得當，就能形成具半導體特性的材料。這使得本來屬於化學領域的分子，搖身一變成為電子產品的新主角。

[TOC]

## 一、為何需要有機半導體？

傳統的無機半導體（如矽）雖然電性優秀，但製程成本高、材料剛硬、不適合彎曲。有機半導體則以另一種「輕巧靈活」的方式介入電子領域：

1. **製程低溫、成本低**：有機材料可用「印刷」方式製作，生產線像報紙一樣連續化。
2. **可撓性佳**：可以彎、可以摺，適合穿戴式科技與柔性螢幕。
3. **分子可設計**：化學家能調整分子結構，使材料呈現不同顏色、電性或亮度。

這些特色讓有機半導體在技術發展上充滿想像空間，尤其適合創新產品。

## 一、有機半導體是什麼

* 「有機」指的是主要由碳、氫、氮、氧等元素構成的分子（通常含有共軛 π 系統）所組成的材料。
* 這些有機分子或聚合物擁有共軛結構（例如交替的單鍵–雙鍵或芳香環結構），使電子可以在分子內部部分離域（delocalization），在相鄰分子間也可能透過 π–π 重疊讓電荷「跳躍」傳輸。
* 在有機半導體中，電荷載子（電子或電洞）不是像在晶體矽中那樣在很長的能帶中自由移動，而是比較局部化，並且以「跳躍傳導（hopping）」或透過弱耦合通道移動為主。([MDPI][1])
* 有機材料的介電常數一般較低，這意味著電子和電洞之間的相互作用（庫侖作用）比較強，使它們傾向形成綁定的激子（exciton），不容易裂解成自由載子。([Ossila][2])

簡單比喻：有機半導體像是一群彼此鄰近但不牢靠接觸的小島（分子），電荷要從一島跳到另一島；而無機半導體像是一片連續的高速公路，載子可以比較自由地流動。

## 二、有機與無機半導體的差異

雖然兩者都能導電，但本質相當不同。以下是常見比較：

* **材料組成不同**：有機半導體由碳基分子組成；無機半導體則由矽、鍺等晶格結構形成。
* **電性表現差異**：無機半導體速度快、載子遷移率高；有機半導體則較慢，但勝在便宜、輕薄。
* **機械性質**：有機材料柔軟、不易破碎；無機材料相對脆硬。
* **製程方式**：有機材料可印刷製作；矽則需要高溫與昂貴設備。


| 特性                        | 有機半導體                          | 無機半導體                           |
| ------------------------- | ------------------------------ | ------------------------------- |
| 材料組成                      | 有機分子或聚合物（碳基化合物）                | 元素或化合物（如矽 Si、砷化鎵 GaAs、氧化物等）     |
| 傳導機制                      | 跳躍（hopping）、局部傳輸、受缺陷影響大        | 帶狀傳導（band transport），電子在能帶中自由移動 |
| 電荷載子遷移率（mobility）         | 比較低，受材料結構與缺陷影響大                | 較高，在高品質晶體中可非常高                  |
| 製作方法                      | 可用溶液製程、印刷技術、低溫處理               | 多依賴高溫、真空沉積、晶圓製程                 |
| 靈活性 / 機械特性                | 柔性好，可應用在可撓曲、可彎設備               | 多為硬性材料，脆性高                      |
| 穩定性                       | 易受環境（氧氣、水分、熱）影響，穩定性較差          | 相對穩定，可耐高溫、氧化、長期運作               |
| 成本與製程                     | 潛在成本低；適合大面積印刷製造                | 製造成本高、設備昂貴                      |
| 電介常數（dielectric constant） | 較低 → 電荷屏蔽弱、激子難以分離([Ossila][2]) | 較高 → 電荷屏蔽強，電子–電洞較容易分離           |

例子：矽（Silicon）作為無機半導體，在晶體結構良好時，電子可以像高速公路上行駛；有機材料中，電荷比較像在小徑上跳躍，要跨越分子間的隙間。

換句話說，有機半導體不是要取代矽，而是走出另一條用途不同的道路。

## 三、有機半導體如何導電？

在無機半導體中，我們常說導帶、價帶；但在有機材料中，我們改用 **HOMO（最高佔據軌域）** 和 **LUMO（最低未佔軌域）** 來描述分子能階。

當光或能量使電子從 HOMO 跳到 LUMO，電子便能在分子之間移動，形成導電或發光行為。材料的「能隙」大小會決定它的顏色、導電能力與吸光範圍。這也是有機材料最大魅力之一：只要調整分子結構，能隙就跟著變，功能也可以客製化。

## 四、有機半導體的應用

雖然電性不如矽，但有機半導體擅長「輕、薄、柔」的領域，以下是最重要的四項應用：

### 1. OLED（有機發光二極體）

目前智慧型手機、平板、智能手錶、電視大量採用 OLED。
特點包含：自發光、高對比度、可彎曲。
能顯示出漂亮鮮豔的畫面，就是因為有機材料在 LUMO → HOMO 間跳動而發光。

### 2. 有機太陽能電池（OPV）

有機太陽能電池能做到透明、可彎、可貼窗戶，甚至像貼紙一樣服貼表面。
雖然效率比矽低一些，但低成本、高可塑性使其在建築整合式太陽能（BIPV）中備受期待。

### 3. 有機薄膜電晶體（OTFT）

用於電子紙、柔性顯示器的驅動電路。
雖然速度不如矽，但對於低功耗、低頻領域已經相當實用。

### 4. 生物與穿戴式感測器

有機材料對人體親和，可彎可貼，適合做成皮膚貼片、汗液感測器與可撓式醫療電子裝置。


| 應用             | 說明                                       |
| -------------- | ---------------------------------------- |
| 有機發光二極體（OLED）  | 用作發光層，在顯示器、照明裝置中見到。([維基百科][3])           |
| 有機太陽能電池（OPV）   | 負責吸光並將光能轉為電能。([維基百科][3])                 |
| 有機場效電晶體（OFET）  | 當做開關或驅動電路，如在薄膜電子裝置中。([維基百科][4])          |
| 感測器、生物電子、可穿戴裝置 | 利用有機半導體與生物／化學界面的兼容性，用作柔性感測元件。([科學直接][5]) |
| 柔性顯示、可彎曲電子產品   | 由於可以製在塑膠基板上，可彎、可捲曲。([維基百科][6])           |

舉例來說，很多手機或電視的 OLED 顯示器，其光源就是有機半導體材料。還有可穿戴健康感測器、電子紙、甚至未來的智慧衣物，都可能用到它。

## 五、為什麼有人願意用有機半導體？挑戰在哪裡？

**優勢**：

* 製造成本潛力低：可用印刷、噴墨、印刷線路方式生產大面積元件。
* 柔性與輕薄：可以做在塑膠、薄膜上，適合可撓曲顯示器或穿戴裝置。
* 材料可調設計性強：化學合成上有很大自由度，可以藉由分子設計調整性質（帶隙、能階、穩定性等）。
* 生物／化學相容性：更容易在生物環境或感測界面中應用。

**挑戰**：

* 穩定性不佳：在空氣、水分、紫外線等環境中容易降解。
* 電荷遷移率偏低：限制許多高效能電子元件的使用。
* 激子／載子分離效率低：激子不容易分裂成自由電子與電洞。
* 製造一致性與良率：大面積製備中，缺陷、雜質、分子排列差異可能導致性能大幅變異。

沒有材料是完美的，有機半導體也一樣：

1. 載子遷移率較低，速度比矽慢。
2. 容易被氧氣、濕氣破壞，需要良好封裝。
3. 壽命可能較短，特別是在高亮度發光時。

但材料科學在快速進步，這些缺點正逐步改善中。

## 六、結論

有機半導體並非要挑戰矽的地位，而是提供一種全新的電子材料思維：
輕、柔、可印刷、可設計。
從手機的 OLED 螢幕，到能貼在皮膚上的感測貼片，有機半導體讓電子產品變得更貼近生活，也讓材料科學的想像空間大幅擴展。未來若柔性電子普及，有機半導體將會是支撐這一切的核心技術之一。

## 資料來源

* 《Nature Materials》Review: Organic Electronics
* 《Advanced Materials》Review: Organic Semiconductors
* 台大電機「有機電子學導論」公開講義
* 科學月刊：〈有機半導體與柔性電子〉

[![What are Organic Semiconductors? Examples, Applications and more | Ossila](https://images.openai.com/static-rsc-1/FZAAauTNu-lY-mbhJhuFOWuBjqK-hSAByQvGbovu36GZImh7nc8U8Z6zy0imoqlsF-mnC3qwGNry4IIcZQ1rq1rcnMGlIDgf5aqOXF5sk7S5TT8kEV0E7G7KubIB-Zx6_ZlgqPOxtPO8t7g7M5Kqiw)](https://www.ossila.com/pages/what-are-organic-semiconductors?utm_source=chatgpt.com)

[1]: https://www.mdpi.com/2079-6412/13/9/1657?utm_source=chatgpt.com "Review on Charge Carrier Transport in Inorganic and Organic ..."
[2]: https://www.ossila.com/pages/what-are-organic-semiconductors?utm_source=chatgpt.com "What are Organic Semiconductors? Examples, Applications and more"
[3]: https://en.wikipedia.org/wiki/Organic_semiconductor?utm_source=chatgpt.com "Organic semiconductor"
[4]: https://en.wikipedia.org/wiki/Organic_field-effect_transistor?utm_source=chatgpt.com "Organic field-effect transistor"
[5]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950235725000034?utm_source=chatgpt.com "Organic semiconductors based wearable bioelectronics"
[6]: https://en.wikipedia.org/wiki/Flexible_organic_light-emitting_diode?utm_source=chatgpt.com "Flexible organic light-emitting diode"


https://www.ossila.com/pages/what-are-organic-semiconductors?utm_source=chatgpt.com
https://www.oe.phy.cam.ac.uk/research/materials/osemiconductors?utm_source=chatgpt.com
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%9C%89%E6%A9%9F%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94
https://hzmosclab.web.nycu.edu.tw/
https://www.ceecs.ntust.edu.tw/p/412-1001-131.php?Lang=zh-tw
https://selcrs.nsysu.edu.tw/menu5/showoutline.asp?SYEAR=110&SEM=1&CrsDat=MOES593&Crsname=%A6%B3%BE%F7%A5b%BE%C9%C5%E9%A7%F7%AE%C6
http://api.lib.ntnu.edu.tw:8080/server/api/core/bitstreams/1673061b-dfa3-46b0-a62e-18cc96d77757/content
https://www.sigmaaldrich.com/TW/zh/technical-documents/technical-article/materials-science-and-engineering/organic-electronics/organic-materials?srsltid=AfmBOorZyzr4a0TUsx5l4XWt8HQV7RJT9-HP9Y6n_97mHN1IkqlEEaTh
https://class-qry.acad.ncku.edu.tw/crm/course_map/course.php?dept=L7&cono=L786000
https://class-qry.acad.ncku.edu.tw/syllabus/online_display.php?syear=0113&sem=2&co_no=L786000&class_code=
https://chem.nuk.edu.tw/p/405-1036-38764,c3320.php?Lang=zh-tw