有机电子工业

有机电子工业

一切创新皆源于人观念的创新，观念是确定战略目标的根本。以前，人们只认识到金属元素单质具有导电性质，长时间使用金属元素单质制成的材料用于导电工作。通过化学的不断探究和发展，渐渐无机导电材料进入了我们的视野之中。无机导电材料因为具有一下特点收到了人们的青睐：性能多样具有高熔点高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀及抗氧化，宽广的导电性能、导热性、透光件以及良好的铁电性、铁磁性和压电性等待殊性能。应用极其广泛。几乎在所有的领域都有无机材料的应用，尤其新型无机材料更是现代技术的发展基础、在电子信息技术、激光技术、光纤技术、光电子技术、传感技术、超导技术以及空间技术的发展中占有十分重要的地位。

然而大多数无机材料拉伸强度低，韧性差，脆性大，制造成本高，循环利用效果差。这样就驱使人们去寻找一部分无机材料的代替品。碳作为基本元素，在人类化学漫长的探索过程中，逐渐引起了人们的探究欲望。有机材料是绝缘体是人们早先的观念，但1911年提出人们可能合成不含金属元素的有机金属导体。从聚乙炔具有导电性质开始，有机导电材料成为了人们研究的一个重要方向。

1954年日本科学家井口洋夫合成出了芘与溴形成的电荷转移复合盐。TCNQ，TTF 是人们应用较广的有机导电物质，是利用较大的共轭体系传导电子，使电子能在一个较大的范围内自由运动，从而达到较高的电导率。第一个有机超导体TMTSF,超导转变温度为1.1K。70年代末有机导电聚合物的发现引起热潮，第一个有机导电聚合物为聚乙炔，由日本科学家白川英树发现，有顺式和反式的区别，同样也是结构最为简单的有机导电聚合物，1987年德国公司改进了白川英树的方法，制得碘掺杂的聚乙炔，同物质的量的条件下，导电率为铜的二至三倍。传统的电子学以及能带理论已经不能解释新出现的有机物中的导电问题，由此催生了一门新的学科--有机电子学

有机电子学（Organic electronics）是电子学中处理高聚物，塑料，或小分子电导电子学的一个分支。之所以称为“有机”电子学，是因为高分子和小分子是以碳为基的。这和传统的电子学不同；传统电子学依赖无机导体和半导体，如铜和硅等。大多数高聚物电子学是薄层电子学；它也包括透明电子包裹和以纸为基的电子学。从技术上说，电导高分子大都是聚乙炔的派生物。导电高分子是比无机导体较轻，较软和较便宜。这使得在许多应用的地方希望改用它。它也有可能有铜和硅所没有的新应用。有机电子学不仅包括有机半导体，也包括有机电介质，导体和光发射体。新的应用包括智能玻璃和电子纸。在分子计算机新兴科学中，导电高聚物可望起到重要的作用。有机电导高聚物一般的电阻比无机导体的较大，研究者希望通过在有机半导体如黑色素内掺入少量导电金属以增加它的电导。但对许多应用，无机导体将仍保留其唯一可选择性。

有机电子器件的特点与优势：1.人工合成，易剪裁可调控能带结构。2.成本低，可溶液法增大面积，如Poly IC可在常温常压下利用卷对卷工艺实现快速印制制备3.柔韧性好、轻薄，可贴附于柔性物品和皮肤上。所以现在已应用于有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）、有机太阳能电池（OPV）、有机热电器件（OTE），但目前只有OLED走向了应用，其余尚在实验阶段，但可以预见，它们具有广阔的应用前景有机发光二极管（OLED）。利用有机分子在电场作用下被激发而发光的现象，将电能转化为光能，在显示和照明方面有广泛应用。发光原理大致分为以下几步：载流子注入、载流子传输、载流子复合形成激子、激子迁移、激子流发光。相比于传统发光二极管，OLED优点明显：大面积平板显示、易实现全色发光、可用于制备柔性器件、有好的加工性能。目前我国照明用电占全国总用电量的12%，现有照明技术浪费的照明量相当于2000多亿每年，如果使用OLED，发光效率将能增加到25.4%，每年照明耗电量将减少50%多，以2008年为例，将节约1339亿元人民币。

有机太阳能电池（OPV）。太阳辐射达到地球的能量功率为1.2*10^16瓦特，而全球目前的能量需求为1.5*10^13瓦特，如此算来，只需将0.125%的地球表面以转换效率为10%的太阳能电池覆盖，即可满足全球的能量需求。有机太阳能电池的工作原理为光子照射到阳极表面，光子的能量激发出带有正电性的空穴，空穴穿过界面，运动至阴极，完成带电粒子的传导。传统的无机太阳能电池，虽然转换效率高，但成本较高，难以普及；新研制的有机太阳能电池，由于有机物分子独特的导电方式，可实现超薄、大面积制备，且其柔性与大面积制备性也是传统太阳能电池不具备的，最高效率也可达到无机电池的60%左右。有机太阳能电池可以应用在复杂地形，等物质的量条件下，有机的比无机的能转化更多的光能。

有机场效应晶体管（OFET）。由源极、漏极、有机半导体、介电层构成，具有电学开关功能、信号转换功能，可用于逻辑电路、RFID、智能芯片、矩阵驱动电路、化学生物传输、阵列式传感等方面。有源矩阵驱动允许全运动视频和动画，颜色也比无源矩阵有更多的振动。尽管有源矩阵型液晶面板的制造工艺与构造比无源矩阵型液晶面板复杂，但通过组合使用开关特性出色的有源元件与TN、IPS、VA等模式的液晶，可获得像素数较多的精细图像。能够实现CRT不可实现的高清晰度大屏幕显示器。目前，个人电脑显示器、液晶电视及手机采用的绝大部分彩色液晶面板均为有源矩阵型。有机射频标签（O-RFID），RFID是一种以射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，从而自动实现电子识别、追踪、信息存储的集成电路系统，与传统的条形码、磁卡等相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和防冲突的功能，在保密、防伪及物流网等诸多领域具有广阔的应用前景（如wifi等技术都是RFID的应用），而有机RFID具有柔性高的特点，可以极大地扩充RFID 的适用范围，可以弯曲贴在各类商品表面，同时，引入有机材料是唯一可以将成本降到

1美分的方法，所以，有机RFID是RFID的一个主要发展方向。OFET传感器结合OFET 的信号转换与信号放大功能，将各种外界信号转化为可识别电信号，从而实现在传感器方面的功能应用；基于OFET的柔性，OFET触觉传感器--电子皮肤传感阵列可以灵敏感知外界触碰强度和位置，并实现实时压力成像；OFET压力传感器可用于健康监测；OFET气体传感器可以监控空气质量，并且能够区分各种气体，对各种气体的含量进行显示。OFET目前正处于高速发展时期，已经可以达到部分多晶硅能够达到的迁移率，但由于多晶硅的制造需要极其严格的化学环境，并且对杂质十分敏感，制造成本极高，而OFET的制造成本则大大下降。OFET的综合指标的快速发展使其满足多方面应用需求。有机场效应晶体管的相关应用孕育着重大的产业机遇，而对2019年的有机电子产业预期中，OFET相关的产业占据了很大的比例。虽然OFET器件在柔性与低成本方面展现出巨大的优势，但是，OFET的发展仍然面对着挑战，如：器件性能有待提高，器件稳定性有待改进，基于OFET的商品的批量生产与应用，以及新应用的开发。

有机热电器件（OTE）。热电材料可以实现热能与电能的直接转换，是重要的能源材料，热能可以通过塞贝克效应（第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象）转化为电能，电能可以通过帕尔贴效应（第二热电效应，指两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差的现象）转换为热能，21世纪能源利用的一个重要问题就是废热的收集和利用，从废热中汲取电能将使我们的环境和生活更加美好，热电材料正在逐步走向实际应用。有机热电材料秉承了有机半导体在材料资源丰富、加工成本低和柔韧性好的优点，具有较低的热导，且在低温、微温差应用方面有一定优势，可与无机材料互补共同推动热电材料的广泛应用。有机热电材料与器件的研究总体处于起步阶段，充满机遇，更面临挑战。