首頁 > 研究與培育人才齊頭並進–許千樹教授
:::

研究與培育人才齊頭並進–許千樹教授

交通大學應用化學系的許千樹教授運用化學方法解決發光材料的頭痛問題,他不只在顯示科技的研究上表現非凡,對於年輕科技人才的培育更是不遺餘力。
 
 
 
臺法科技獎是依據國科會與法蘭西學院自然學院所簽署的「臺法科技基金協議」,由雙方共同設立的獎項,主要目的在促進臺法雙邊科技合作與積極培育年輕科技人才。

2006年臺法科技獎頒發的學科領域是「奈米材料」,得獎人是國立交通大學應用化學系的許千樹教授和法國南特大學的聖吉‧勒峰(Serge Lefrant)教授,兩位教授透過博士班學生交換與共同主持國科會/CNR國際合作計畫方式進行研究。僅4年時間,雙方團隊已經共同發表8篇期刊論文與12篇會議論文,同時又促成中法雙博士學位制度的建立。兩位教授在國際學術交流合作上的豐碩成果和培育年輕科技人才的積極努力,受到高度肯定,因而榮獲臺法科技獎。

有機發光二極體倍受矚目

許教授目前擔任臺灣聯合大學系統副校長,研究專長是奈米有機光電材料及電致發光共軛高分子材料。這裡指的高分子是指利用聚合反應,使得小分子經由化學鍵串連起來的大分子。當化學結構裡的化學鍵以單鍵雙鍵、單鍵雙鍵,或以單鍵三鍵、單鍵三鍵的方式交錯組合時稱為共軛(conjugation)。

共軛高分子中來自雙鍵或三鍵的π電子,會在高分子主鏈結構上游移,科學上稱這是一種非定域化(delocalization)現象。這些電子很容易因為照射紫外光或通電而被激發,處於激發態的電子再落回基態時,伴隨而來的是產生可見光。這個機制可用來發光,並已發展成為顯示科技,現今運用這種科技所製造的產品以顯示器為主。

臺灣產業界在顯示科技領域的研發起步較早,相關的生產技術在全球居領先地位,如奇美電子、友達光電、鴻海集團旗下的群創光電等都屬於這類產業。顯示科技是一種重要的人機介面科技,譬如手機、照相機、電視機等的顯示器都是機器與他人溝通的橋梁。目前顯示科技領域中最主要的產品仍是液晶顯示器(liquid-crystal display, LCD),但是具有諸多優勢的新顯示器-有機發光二極體(light emitting diode, LED),在不久的將來很可能取代LCD,成為顯示科技中的主力元件。

有機發光二極體有兩個發展方向,一是製造發光顯示器,一是取代現行設備成為未來的照明主流。現行的LCD必須藉由背光模組發光,可是背光模組很耗電;有機發光二極體只需少許電量就能發光,可以做得比LCD輕、薄、短、小,這是它可以取代LCD的主要原因。而在照明功能上,日光燈需要燈管,有體積限制,有汞污染又浪費電力;有機發光二極體不需要燈管,可以做得很薄,沒有污染又非常省電,亮度也比現在的照明設備更令人滿意,因此被認為是未來照明設備的主流。

在米老鼠頭上長角

許教授的實驗室長期以來一直在顯示科技領域中鑽研,因此很自然地投入有機發光二極體的研究。高分子材料是主要的實驗對象,為提升發光效率,他們一直努力地在合成材料及製程技術上尋求突破。

電子、電洞結合後會發光,如果電子、電洞在材料中移動速率接近,就能提高發光效率,而這也是實驗室人員審視材料的基準。由於高分子材料傳送電洞的速度比較快,他們就從材料結構著手,利用聚合反應,達到傳送電子、電洞速度都能一樣快的程度。又如電子在共軛高分子材料裡傳送時,鏈與鏈間會因為化學結構很規則而產生自我淬滅效果,以至於降低發光效率,許教授便不斷地思考該如何改進,才能使得材料結構不產生結晶狀態又能提高發光效率。

因為導電時需要共軛,所以在選擇塗布材料時,大都以苯環雙鍵連起來的材料為主,以便產生共軛效果。不過當電沿著高分子鏈傳送時又不能互相干擾,否則會降低發光率。

比方說,有一種分子膜塗布材料DP-PPV的化學鏈排得非常好,整個結構看起來像一個米老鼠的頭:底下1個頭、上面2隻耳朵。這種結構在傳電時會互相干擾,於是就以聚合反應方法令其耳朵上長角,以便隔開化學鏈。採用這個策略後解決了一些問題,相關研究成果刊登在2005年的《高分子》(Macro-molecules)及2006年的《聚合物科學雜誌,A輯:聚合物化學》(Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry)。

創新技術,不斷突破

另在技術改善上,早期華人科學家鄧青雲曾以薄膜技術製造元件,使得元件效益大大提升。後來人們又發現,以多層薄膜傳送電子、電洞,發光效率可以更好,於是就以真空鍍膜法把薄膜一層層沉積上去,可是這種技術的費用很高也很浪費材料。

針對這個問題,許教授在完成發光層的第1層塗布後,加上一層如甘油類的溶液,然後再上第二層發光層,如此這般重複施做,由於中間的隔離層能發揮瞬間的隔絕效果,因而防止上、下層塗料混在一起的情形發生,而在上、下層薄膜固化時,中間的隔離層也已經揮發得差不多。經過這樣的改善,可在材料上沉積許多層薄膜,每層都很薄,厚度大約只有幾十個奈米,使得發光效率更加理想。相關研究成果發表在2006年的《應用物理通訊》(Applied Physics Letters)。

另一個相當受肯定的技術是把材料局限在奈米等級,並用無機材料把有機材料包覆起來,藉以達到減少能量損失的目的。所謂有機材料泛指含有碳、氫原子等成分的材料。

傳統上製作「電激發光元件」時大都做成一整片薄膜,這種做法容易使得結構上的有機分子靠得很近,因而產生能量轉移現象,導致發光強度和效率降低。針對這個問題,許教授提出「均勻分散有機材料」概念,目的是隔開有機分子的距離,以便減少能量散失。就理論來說,均勻分散有機材料應該也具有提升發光強度的能力。實驗室人員先以有機合成方法製備具有親水端與疏水端的有機發光材料,然後透過溶膠/凝膠製程,產生具有規則的奈米孔洞排列,這時材料上的有機發光分子已被包覆在孔洞中。

新製成的奈米分散材料,經實驗證實和原本的薄膜材料比較起來,它的螢光強度與發光效率可以提高好幾倍。把它放在電子顯微鏡下可以觀測到規則性的奈米孔洞,它們的排列形狀與蜂窩頗為相似。相關研究成果刊登在2006年德國的《應用化學雜誌》(Angewandte Chemie-International Edition)。之後實驗室人員繼續延續這概念,實際製作出新的發光元件,進一步證實「奈米結構增強螢光效果」概念的可行性。研究成果刊登在2007年英國的《材料化學雜誌》(Journal of Material Chemistry)中。

結合兩個實驗室的專長

2006年臺法科技獎的另一位得獎人,是法國南特大學的聖吉‧勒峰教授,他的實驗室是法國科學院在南特大學設立的材料研究所的一個重點實驗室,研究方向偏向量測和基本物理性質的探討,而許教授在交通大學的實驗室則比較偏向材料的合成和研發。

幾年前國科會邀請國際學者來臺訪問,勒峰教授是到訪學者之一。當時的許教授是交通大學研發長,雙方暢談後發現兩人是同一個領域的研究者,而且獲知勒峰教授的實驗室裡也有一些教授投入與許教授實驗室相同領域的研究。在這個因緣下,雙方實驗室開始了學術上的交流合作。

推動國際交流是交通大學研發長的主要工作之一,時任研發長的許教授發現,交通大學學生出國求學的人數越來越少,或許是因為學校有能力培養博士班學生,但到國外留學可以學到最先進技術,而且從學士、碩士到博士班如果都在同一個環境中,對學生來說並不是很好的訓練,更何況現在的科學研究都是跨領域,不同實驗室的合作顯得相當重要,對學生來說,擁有不同實驗室的訓練對研究的啟發也有莫大助益。

許教授於是開始思考:或許能與法國南特大學合作設立一個雙學位制度,讓博士班學生有3年在交通大學實驗室學習合成材料技術,然後再花2年時間在法國實驗室進行量測及製作元件,以便學到量測與物理測試的專長。然後由雙方實驗室承認所有課程與研究成果,畢業時由交通大學與南特大學各頒一個博士學位。透過交流可結合雙方實驗室的專長,對臺灣學生來說,在法國實驗室可接觸到來自世界各國的學生,有很多機會做比較,除可審視自己的程度外,也能在具有競爭力的環境中拓展視野。

這個構想得到法國在臺協會與交通大學的支持,由雙方各出一半獎學金資助學生在法國的生活費,如此一來,學生便可認真地做研究。不過想得到這個機會的學生必須具有實力,在出國前得先密集修習7周的法文課程,到法國後再修半年法語,再加上2年的法國生活,他的法文也就不錯了。畢業時,博士班學生須在法國以法文演講,回國後,法國教授會到臺灣來與交大教授一起做博士論文口試,唯有通過嚴格考驗的學生才能得到雙學位。目前已有3位學生得到雙博士學位,第4位學生正在法國學習中。

【2006年臺法科技獎得獎人專訪】
推薦文章