臺灣大學高分子科學與工程學研究所學位論文
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在本研究中MEH-PPV 以氯苯當作溶劑並以旋轉塗佈的方法製成薄膜與發光二極體元件，探討MEH-PPV 薄膜的型態和電荷載子傳導特性的相關性，使用到的量測儀器分別有吸收光譜，螢光光譜，時間解析電激發光，雷射光反射和散射的實驗。 藉由改變不同的轉速和熱處理的方法來控制高分子薄膜的分子型態。 結果顯示了使用旋轉塗佈方法製成的薄膜會在靠近基板表面的地方形成一層很薄的高電子密度層(分子排列所導致的), 這個高電子密度層是造成以旋轉塗佈方式製成的薄膜其載子遷移率要比以滴式塗佈的方式來的低的主要原因，而越薄的薄膜(使用較大轉速)其載子遷移率越低這是因為使用較高的轉速會產生較高的離心力導致分子高度排列而形成密度更高的電子層。 另一個使用熱處理方法的結果為高分子薄膜在經由熱處理過後會從幾乎無序排列的結構變成有規則的薄片狀結構。每個薄板層是由高分子的主鏈所堆疊成的結構，這個結構使得載子能較快速的跳躍通過高分子層而增進其載子遷移率。
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本研究主要是探討小分子量聚乙二醇(PEG)不同的末端基(1OH-1CH3、2OH、2CH3、2NH2)混摻大分子量聚乙二醇(PEO)之二元結晶系統的相容性、結晶行為、與形態學的影響。相容性的探討方面，我們以微分掃瞄卡計(DSC)測定PEO平衡熔點的下降程度，並計算相互作用參數值。結晶動力學方面，則以偏光顯微鏡(POM)來觀測PEO的球晶成長速率，計算出不同系統中PEO折疊鍊端表面自由能；PEO結晶後PEG的總體結晶速度也以DSC量測之。不同PEG末端基對摻合系統的影響同時也以傅利葉紅外線光譜儀(FTIR)分析之。
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近幾年來利用導電高分子/奈米顆粒混成系統來製作太陽能電池受到工業界及學術機關的高度興趣。因為高分子太陽能電池擁有價格低廉，並且可利用捲式塗佈技術進行大面積加工，使得這項研究受到極大的重視。目前由P3HT/PCBM混成系統做成的太陽能電池元件效率為4%。為了使效率超越P3HT/PCBM混成的太陽能電池元件，一個擁有適當光學能隙的導電高分子是重要的材料性質。在本篇碩士論文中，利用Stille 連結聚合法來製備一個含良好電洞傳導性質咔唑為側鏈的高分子,其主鏈是由quinoxaline/thiophene交錯行成的導電高分子，並且我們發現這樣的高分子對於一般有機溶劑仍然保有優秀的溶解性質。在化學合成過程中我們利用NMR，FT-IR和GPC等儀器來判定單體及高分子PCPQT的化學結構。此次合成出的新型高分子PCPQT是由交錯的電子施體thiophene單元和電子受體quinoxaline單元聚合而成。由電子施體和電子受體所形成的交錯型導電高分子，因為在其主鏈會形成電荷傳導現象，所以會在光學性質上有著我們希望的良好的性質。PCPQT 高分子可以溶解在多種有機溶劑中，如四氫扶喃。另外我們也發現隨著分子量的增加，在紫外光-可見光吸收光譜中會有從530nm紅移到630nm的現象。在X射線衍射分析實驗中我們發現聚合度分佈大的PCPQT高分子沒有晶體規則性，而純化過後聚合度分佈較小的PCPQT會有(100)面的晶體規則結構。在循環伏安法的電化學測試中，可以發現此高分子擁有比P3HT更低的HOMO能階，大約是5.5eV。目前，經由台灣大學凝態科學研究中心王立義老師的指導下，由其實驗室劉虹葳同學利用PCPQT/PCBM混成系統製作而成的太陽能電池元件已經達到0.4%的電力轉換效率。初步的研究發現PCPQT有著約 的電洞傳導率。最顯著的特色是PCPQT/PCBM混成系統的太陽能電池元件擁有比P3HT/PCBM混成系統還要高的開路電壓約0.75V。
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本實驗藉由聚丙醇 (polypropylene glycol, PPG)中含有三個莫爾當量的氫氧基的添加，來改質環氧丙烯酸酯 (epoxy acrylate, EA) ，期望藉由聚丙醇 (polypropylene glycol, PPG)，可以增加改質後壓克力系樹脂單體的官能度，合成多官能基壓克力樹脂單體。同時，也藉由官能度的增加及分子量的增大，在聚合過程中可高度交聯，以減低因聚合反應所產生的聚合收縮(polymerization shrinkage)效應。 實驗中利用異氰酸鹽(diisocyanate)與甲基丙烯酸-2-羫基乙酯 (2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)以莫爾比1：1反應，合成改質側鏈，再以此改質側鏈，添加入聚丙醇 (polypropylene glycol, PPG)，以2：1之莫爾比進行反應，而後再添加入異氰酸鹽(diisocyanate)與聚丙醇 (polypropylene glycol, PPG)之氫氧基(-OH)進行反應，完成改質側鏈之全部反應。而後加入環氧丙烯酸酯 (epoxy acrylate, EA)，以莫爾比1：2.07反應，藉以反應掉環氧丙烯酸酯 (epoxy acrylate, EA)上之氫氧基(-OH)以完成樹脂之製備。而本實驗所選用之異氰酸鹽(diisocyanate)為2,4-二異氰酸甲苯 (toluene 2,4-diisocyanate, TDI)。而此反應改質過後之環氧丙烯酸酯 (epoxy acrylate, EA)，分子量增大，且產物間產生較強之分子間氫鍵，較未改質前具有較多之官能度，在進行聚合反應時，能產生高分子交聯網狀結構，有效減低聚合反應過程中所產生之體積收縮量。 改質過後之環氧丙烯酸酯 (epoxy acrylate, EA)，由於其分子基團變大，流動性不佳，因此本實驗選用三丙烯乙二醇雙丙烯酸酯 (tripropylene glycol diacrylate, TPGDA)為稀釋單體，進行不同比例之添加。而牙用復形複合材料中，主要用以支撐機械固持力之無機填料粒子部分，則是選用市售奈米級燻矽與二氧化矽溶膠懸浮液，藉由不同比例之添加，搭配D,L-樟腦醌 (D,L-camphoroquinone, CQ)、對二甲胺基苯甲酸乙酯 (ethyl 4-dimethylaminobenzoate, EDMAB)完成牙用復形複合樹脂材料之製作。以波長為410-500 nm之可見光照射，可聚合硬化。藉由傅立葉轉換紅外線光譜儀 (Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT-IR) 、凝膠滲透色層分析儀 (Gel Permeation Chromatography, GPC) 、聚合收縮量測試(polymerization shrinkage test)與微硬度測試，並與以Bisphenol A glycerolate dimethacrylate (Bis-GMA)為樹脂主體和市售產品為對照組，相比較後可發現，以奈米級燻矽添加量可達80wt%，二氧化矽懸浮液添加至80wt%，硬度測試有顯著提升，最大硬度為53.9(Hv)。此外在聚合收縮量測試，添加無機填料粒子量增大，有助於減少聚合收縮量的產生，且其聚合收縮量比市售材料小約1/6，且與以Bisphenol A glycerolate dimethacrylate (Bis-GMA)相比其聚合收縮量小約1/5~1/6。
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本篇論文的研究中，我們以界面改質的方式來改質無機金屬氧化物並將其與有機導電高分子製備成太陽能電池元件，以此一有機/無機太陽能電池來做一有系統地討論界面改質劑的影響與其在太陽能電池的應用方式: 首先，我們合成出一系列含有不同共軛長度結構(T系列)與含有不同烷基長碳鏈鏈長結構(N系列)之磷酸小分子，並將其以自組裝單層膜的方法應用在一最乾淨簡單的聚己基噻吩/二氧化鈦雙層結構系統中來探討含不同化學結構之界面改質劑對於太陽電池的光伏打效應的影響: 發現這些改質劑的存在並不影響P3HT的吸光行為，但螢光焠滅效率卻隨著界面改質劑的能隙值縮減與LUMO的下降而增加，顯示有機/無機界面間電荷分離的能力受到界面改質劑的影響，並隨著界面改質劑的能隙值縮減與LUMO的下降而有所提升；而這些具有不同化學結構之界面改質劑確實會影響元件的表現行為，尤其是在於開路電壓與短路電流，開路電壓會隨著界面改質劑的能隙值縮減與LUMO的下降而變小，但幾乎不隨界面改質劑的烷基碳鏈長度而變；而短路電流卻會隨著界面改質劑的能隙值縮減、LUMO的下降與烷基碳鏈的縮短而變大。接著，我們進而將此含共軛結構之有機小分子作為界面活性劑，直接應用在溶液製程(solution process)的混掺型太陽能電池系統中以此來改善與探討在混掺型太陽能電池結構中的經界面改質劑改質之無機奈米粒子與有機導電性高分子相容性與光伏打效應的影響: 藉由TEM可發現以界面改質劑改質過之氧化鋅奈米棒狀粒子在P3HT中產生如網狀般之連續通路而沒有各自聚集的現象，由此可知其兩相之相容性變好，因此兩相的接觸面積可以大幅地提升。而藉由改質過之氧化鋅奈米棒狀粒子所製備的混掺元件與無改質的氧化鋅奈米棒狀粒子所製備的元件比較起來，其PCE值均可看出有明顯地提升，另外，我們亦可觀察到界面改質劑改質過之氧化鋅奈米棒狀粒子與P3HT混掺元件的Voc值同樣會隨著界面改質劑能隙值減少與LUMO下降而降低而Jsc值則會增加，此現象與雙層接合結構元件所表現出的現象吻合。 第三部份我們則是利用有機金屬分子copper phthalocyanine (CuPc)直接蒸鍍在太陽能電池元件結構中，利用其在300至400nm之紫外光範圍具有強吸收的特性來當成一有效的紫外光濾光層來減少氧化鋅表面hole trapping level的產生，進而以此來直接取代PEDOT:PSS以及改善元件的光伏打特性及效能。結果發現CuPc濾光層確實能夠避免氧化鋅奈米棒狀粒子因吸收了300至400nm之紫外光而產生元件漏電的現象;並且，於照光情況下我們可知在加入CuPc濾光層後元件之開環電壓與填充因子會隨著CuPc膜厚的增加而有顯著的提昇，不過我們也可觀察到隨著CuPc膜厚的增加，元件的短路電流反而越小。另外，藉由EIS量測我們可知隨著CuPc濾光層厚度的增加R2電阻(並聯電阻)也隨之增大。而根據理論公式我們可知Rp並聯電阻越大，則開環電壓值亦越大；我們的實驗結果完全符合理論公式所述。 因此，藉由以CuPc為濾光層所得的結果與概念，並且結合界面改質劑應用的構想，所以我們更進一部地利用在300至400nm之紫外光範圍具有強吸收的碳六十衍生物(1,2-methanofullerene C60)-61,61-dicarboxylic acid分子及有機染料分子(N3 dye)作為界面改質劑及紫外光濾光器，直接將紫外光濾光層包覆在氧化鋅奈米棒狀粒子表面以期減少氧化鋅表面hole trapping level的產生，進而以此來改善元件的光伏打特性及效能。我們發現對於以(1,2-methanofullerene C60)-61,61-dicarboxylic acid分子改質製備的元件部份，確實有效地改善元件漏電的現象並且以(1,2-methanofullerene C60)-61,61-dicarboxylic acid分子所改質的元件所表現出的光電轉換效率比以N3 dye分子所製備的元件效能來的好，IPCE量測亦顯示(1,2-methanofullerene C60)-61,61-dicarboxylic acid分子所改質製備之元件具有最佳的IPCE效率，可高達17.5%。
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本論文主要探討各材料的改進或系統改變對染料敏化太陽電池光電轉換行為影響，同時也針對元件效率及穩定性進行探討。 本文的第一部份為針對染料敏化太陽電池進行最適化探討，藉由高分子分子量控制，製備不同孔徑分布之TiO2工作電極。其中以P2P1分布之TiO2工作電極有最佳效率表現，在電極含有光散射粒子條件下，其光電轉換效率可達9.04 %。並藉由雷射光物理分析及利用交流阻抗分析，發現P2P1-TiO2電極有最低之界面電子轉移阻抗及最長之電子壽命。 另一方面，在低溫製備TiO2工作電極製程方面，本實驗室首先提出將奈米碳管導入低溫製備之TiO2電極中並應用於染料敏化太陽電池。藉由控制奈米碳管分布(0.1 wt%)及Ti-前趨物比例 (TTIP/TiO2=0.08)，可製備出光電轉換效率達5.02%之低溫染料敏化太陽電池。 同時，我們亦針對Miyasaka教授團隊所開發之低溫TiO2漿料來製備低溫塑膠基材之染料敏化太陽電池，並以中央大學吳春桂教授實驗室所開發之SJW-E1染料進行最適化研究，同時針對TiOx緻密層、各種共吸附劑結構及元件穩定性進行探討。最佳化後之低溫塑膠染料敏化電池效率於100 mW/cm2光強度下可達6.31%，並發現以SJW-E1為染料之元件在光照穩定性測試下，比N719有更好的穩定性表現。 本文的第二部分乃針對中研院化學所林建村教授實驗室所合成之有機染料進行染料敏化太陽電池元件測試及光電化學性質探討。最佳元件表現可達6.15 % (相對於N3系統為7.86 %)。研究發現，當在第三oligothiophene接有arylamibes之染料，元件會有較高的開環電位。同時進行雷射光物理及交流阻抗分析推論在第三oligothiophene接有arylamibes之染料可以抑制於TiO2上的電子與氧化態的染料與I3-進行再結合反應。同時理論計算結果發現，在第三oligothiophene接有arylamibes之染料在在電子激發態時有較高之電荷傳遞效率。 在第五章中，將探討光譜互補式之染料共敏化行為於塑膠基材之低溫染料敏化太陽電池應用。研究發現，兩共敏化系統分別為N719/FL 與black dye/FL系統之染料敏化太陽電池之元件光電效能表現比使用單一種類染料的太陽電池來的高，並分別可達到5.10%與3.78%。然而在FL /Chl-e6共敏化系統便沒有電流加成現象，元件效率表現只介於兩種染料單一存在之間。並由交流阻抗分析此三種共敏化系統發現，N719/FL 與black dye/FL系統共敏化後，元件的TiO2特徵頻率與單一染料條件維持相同，甚至往更低頻位移。然而FL /Chl-e6共敏化系統之元件TiO2特徵頻率甚至比單一FL染料高，意味著FL /Chl-e6共敏化後因染料聚集現象使得電子於TiO2中的電子壽命更低。 本文的第三部分為探討膠態高分子電解質之製備及應用於染料敏化太陽電池。此部分將分別討論兩種膠態高分子電解質系統。首先歸納在電解質的有機溶劑之各項物化性質中，donor number為影響染料敏化太陽電池表現之重要影響因素。同時，在PVDF-HFP膠態高分子電解質中，以有機碘鹽(TBAI)為氧化還原對之元件表現，比無機碘(LiI)之表現來的佳。在含有5 wt% 的PVDF-HFP條件下，可得與液態電解質相仿之效率表現。並且在含有0.8 M TBAI與0.12 M I2時有最佳電流表現。進而導入二氧化矽奈米粒子於PVDF-HFP電解質中，由於降低PVDF-HFP之結晶度，明顯增加了離子傳輸路徑，因此提升了離子擴散係數，並使得元件有更好的光電流表現。在100 mW/cm2的光照下，最佳光電流可達14.04 mA/cm2，開環電位0.71 V，光電轉換效率為5.97 %。 另外，以同時聚合法方式製備膠態高分子電解質研究中，將低黏度之反應溶液導入奈米孔洞之TiO2電極中，再進行聚合反應使電解質固化，期能解決高分子電解質與工作電極間之界面阻力以提升光電轉換電流。研究發現，以B4Br作為交聯劑所製備之膠態電解質由於具有微相分離現象，使得有較高之導離度及元件電流表現。藉由將具可反應性官能基結構的分子與染料共吸附，除了可以作為共吸附劑降低染料之聚集現象外，並可在電解質的聚合過程中與TiO2電極界面間形成化學鍵結，可有效降低界面阻抗使得光電流從7.72 mA/cm2提升至10.00 mA/cm2。為了降低TiO2電極內之離子傳遞阻力，本研究藉由導入不同含量之均一粒徑PMMA於TiO2電極中，經燒結後製備含有350 nm孔洞之TiO2電極。經實驗發現在PMMA/TiO2比例為3.75時有一最佳結果，使元件之光電轉換效率從3.61%有效地提升至5.81 %。 最後在本文的第四部分，一系列之poly(3,4-alkylenedioxythiophene)導電高分子以電化學聚合法製備於FTO玻璃上，並將之作為染料敏化太陽電池之對電極進行探討。實驗發現元件以PProDOT-Et2作為對電極有最佳之效率表現為7.88 %與對白金對電極表現相當(7.77 %)。元件之FF很明顯的受到PProDOT-Et2電聚合電量之不同而改變，並且當電聚合電量高於80 mC/cm2時，因高分子薄膜之聚集現象，降低的氧化還原的活性面積，使得元件之光電流及光電轉換效率明顯下降。將PProDOT-Et2導電高分子薄膜用於低溫塑膠染料敏化太陽電池亦有類似的趨勢表現，其最佳光電轉效率在100 mW/cm2光強度下為5.20 %，相對於以白金對電極之染料敏化太陽電池為5.11 %。
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在本篇論文研究中，我們將P3HT與規則中孔性TiO2製成有序型混掺異質介面型太陽能電池，藉由提供較多異質介面接觸面積以提升更多電荷分離的機會，進而達到增加元件效率的目的。 首先，我們以(EO)20(PO)70(EO)20作為結構指示劑，與TiO2前趨液進行自組裝排列，再利用拉伸塗佈法製備中孔性TiO2薄膜；藉由FE-SEM及XRD的鑑定可以得知，經過450℃高溫燒結過後，其孔洞大小約為10 nm且皆為antase phase。隨後利用旋轉塗佈法將P3HT塗佈其上，並調控加熱時間與溫度控制P3HT滲入孔洞內的量，其結果可由UV-Vis發現會有明顯藍位移發生。 由於P3HT/TiO2之間極性差異極大，介面間存在著許多缺陷，不利於電荷分離及傳遞，造成這一系列元件短路電流都無法超過1 mA/cm2 (A.M. 1.5G，100mW/cm2)，為了進一步改善P3HT/TiO2之間極性的差異，我們嘗試以GRIM合成法，合成支鏈末端帶羥基的P3HT (P3HT-OH)，由1H-NMR鑑定羥基所佔比例約為10 %，並且經由gel permeation chromatography (GPC)鑑定分子量約為25000；藉由羥基與二氧化鈦表面羥基有較好的親合性，期待能改善元件異質介面間的缺陷；然而由UV-Vis吸收光譜可以發現，P3HT-OH的結晶性及共軛長度皆低於P3HT，使得元件串聯電組上升，導致短路電流不如原先預期。 為了進一步解決介面間的問題，我們實驗室自行設計合成一系列低能階介面改質劑(WL-1 ~ WL-4)，一方面修飾TiO2表面極性，另一方面調整共軛長度使其能階介於TiO2與P3HT之間，幫助電荷分離及傳導；藉由在中孔性TiO2表面形成自組裝單層膜(SAMs)，將這一系列介面改質劑導入P3HT/TiO2之間，其元件短路電流在A.M. 1.5G (100 mW/cm2)太陽光模擬光源量測下皆突破至1 mA/cm2以上；其中以WL-4改質過後的元件效果最為顯著，VOC為800 mV、JSC為2.3 mA/cm2、FF為55 %且η為1.01 %，而EQE更從未改質前2.5 %大幅增漲至11 %。
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靜電紡絲是一種能夠將高分子材料製備成多功能性奈米纖維的新穎技術。 共軛高分子具有良好之導電及光電效率，被廣泛應用於光電元件上。共軛高分子的光物理特性，可以藉由高分子混摻亦或是不同的合成方法來調控，但是，目前的研究多是以共軛高分子薄膜的型態為主，較少探討共軛高分子奈米纖維的形態與光物理特性，主要原因是其分子量以及溶劑的限制，故極少文獻將共軛高分子經由靜電紡絲製備成奈米纖維。在本論文中，我們將兩種共軛高分子(PFO/ DB-PPV)混摻非共軛高分子(PMMA)，篩選最佳的材料溶液配方，並調控靜電紡絲的製程參數與收集器，製備出不織布或定向性型態的奈米纖維，其次，藉由改變PFO/ DB-PPV的比例，觀察其微相分離的尺度、形態與光物理特性之變化。 本篇論文的第一部分是將不同比例的PFO/ DB-PPV(0/10~10/0)發光高分子(10 wt%)混摻於PMMA，利用一般的靜電紡絲方法，成功製備出不織布奈米發光纖維(纖維平均直徑400~700 nm)，由於使用具高揮發度的氯仿溶劑，藉由FE-SEM觀察，發現纖維表面具有許多10-50 nm的孔洞，而經由TEM觀察PFO與DB-PPV微相分離的形態與尺度，發現DB-PPV是以球狀(1-60 nm)聚集於纖維中，而PFO則是以類似纖維狀(20-40nm)存在，若將DB-PPV比例降低(PFO相對比例提高)，DB-PPV球形尺度會下降，PFO則會由不連續的纖維形成連續性的纖維。因此，藉由調控PFO/DB-PPV比例(0/10~5/5~10/0)，改變兩者的微相分離形態與尺度，控制PFO能量轉移給DB-PPV的效能，我們可以得到一連串由藍光(波長426 nm) 藍綠光、到綠光(波長523 nm) 的發光顏色，並且當PFO/DB-PPV/PMMA比例為9.9/0.1/90時，可製備出最高量子效率達80%之發光奈米纖維。 第二部分則是將不同比例的PFO/DB-PPV(0/10~10/0) 發光高分子(10 wt%)混摻於PMMA，進一步利用靜電紡絲方法搭配特殊的幾何收集器，我們篩選出最佳的材料溶液配方(總濃度為250 mg/ml、使用氯苯溶劑、加入4 wt%的TBAP鹽類)，以及調控操作條件(電壓:5-10 kV、工作距離:15 cm、流速:1 ml/hr)，以達到穩定的Cone-jet model，因而成功地製備出具備高度定向性且兼具偏極光特性的奈米發光纖維(纖維直徑600~800 nm)。由於此部份使用較高沸點的氯苯溶劑，藉由FE-SEM觀察，發現纖維表面平滑且無孔洞產生。偏極化的螢光光譜儀，能夠偵測纖維內規整及具方向性的分子結構，故當共軛高分子鏈段平行或垂直於定向性纖維時，就能產生偏極化的螢光特性。不同於DB-PPV在纖維中是以球狀(1~60 nm)散亂分布，PFO則是以類纖維狀(20~40 nm)平行於整條定向性的纖維方向中，因此，PFO/DB-PPV(10/0)的偏極光倍率(2倍)比PFO/DB-PPV比例(0/10)的偏極光倍率(1.5倍)為高。故我們利用PFO比DB-PPV有較高的偏極光特性，當改變不同偏極板的角度，能夠使PFO/DB-PPV/PMMA(9/1/90)的定向性奈米纖維表現出不同的發光顏色。 利用靜電紡絲將PFO/DB-PPV/PMMA成功製備成不織布或定向性發光纖維，藉由調控不同PFO與DB-PPV混摻比例，改變兩者的微相分離形態，可以得到ㄧ不同發光顏色以及兼具偏極光發光特性的奈米纖維，未來可應用在智慧型紡織品或是元件感應器上。
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由於分子內電荷轉移的特性，電子施體/受體共軛高分子系統具有調控電子與光電特性的潛力。此博士論文目標在於設計集合成一系列的新型電子施體/受體共軛高分子材料，探討共軛高分子之光電性質與不同的電子施體或受體結構之關係，並近一步製備元件應用於電晶體及發光二極體上。 本文的第一個部分 (第二章) 為研究電子施體/受體共軛高分子PTHQx於薄膜電晶體的應用。將PTHQx薄膜進行p型態的電晶體測試可以觀察到其電動遷移率為3.6×10-3 cm2V-1s-1，電流開關比高達6×105。原子力顯微鏡顯示了在不同的介質上PTHQx會形成不同的結晶型態而使其FET mobility有極大之改變。此外，高電子遷移速率與雙載子的電荷傳遞特性可以在PTHQx與BBL的混摻系統中被觀察到。電晶體元件在即使含有高達80 wt% PTHQx的不同混摻比例中呈現相當高的並維持一定數值的電子傳遞速率(1.0×10-3 cm2V-1s-1)。 雙載子的電荷傳遞特性則是在PTHQx含量大於90 wt %時被觀察到。混摻系統的原子力顯微鏡影像說明了其相對應的電荷傳遞特性與混摻成分的比例以及相分離的形態有關。 本文的第二個部分 (第三章) 藉由改變thiophene於共軛高分子中的當量進行一系列PTHTPs電子施體/受體共軛高分子之合成與性質鑑定。實驗中發現當PTHTPs高分子中的thiophene由一個增加至四個時吸收光譜圖的最大吸收峰會由850移至590 nm，而相對應的能隙會由0.97eV增加至1.78eV。這說明了高分子中分子內電荷轉移的程度有所差異。另一方面，若與理論分析的結果相互比較，高分子的能隙也是呈現著隨著高分子中的thiophene當量增加而增加的趨勢。這部分的研究證明了可以藉由改變thiophene於電子施體/受體共軛高分子中的當量對高分子的電子特性進行調控。此外，在這部分的研究中也針對了PTHTP-C7， PTHTP-C12，以及 PBTHTP 進行了電晶體的探討。原子力顯微鏡影像顯示了在PTHTP-C12的長鏈段官能基會使其結構排列成纖維狀的形態而使得PTHTP-C12相對於PTHTP-C7以及 PBTHTP 有著較好的電荷遷移速率。這方面的研究也說明了高分子薄膜電晶體可以藉由形成特殊排列形態進而增加其元件的電荷遷移速率。 本文的第三個部分 (第四章) 為進行一系列以TH-TQ-TH為主體搭配不同電子施體的電子施體/受體共軛高分子材料之合成與性質鑑定，包括PBTHTTQ，PTTHTQ，PFBTHTQ以及PPTHTQ。在吸收光譜圖的鑑定中我們可以發現最大吸收峰約在710至876 nm之間，而其能隙有著PTTHTQ< PBTHTQ< PFBTHTQ< PPBTHTQ的趨勢，這是因為不同的電子施體與TQ之間分子內電荷轉移作用力的不同進而影響共軛高分子的電子與光電特性。以此TQ系列共軛高分子為材料針對不同沸點的溶劑(氯化苯與氯仿)進行一連串的薄膜電晶體元件量測可以觀察到以氯化苯當溶劑時其元件有較高的遷移率。尤其是以氯化苯當溶劑時，PTTHTQ的電洞遷移率可以高達3.8×10-3 cm2V-1s-1，這可能是因為PTTHTQ具有最低的能隙又或者是因為PTTHTQ在元件中可以形成規則排列而導致的結果。由於TQ系列電子施體/受體共軛高分子具有較廣的吸收峰以及較高的遷移率使得此系列高分子可應用於太陽能元件的開發。 本文的第四個部分 (第五章) 為合成一新型茀系(fluorene)施體/受體 (PQ)共軛高分子材料(PFPQs)並以此高分子材料為基礎製備高分子混摻系統(BPQ05)使其應用於發光二極體之製備。將此系列高分子與PFQ做比較可以發現與理論分析的結果相似，PFPQ (2.08eV)具有較PFQ (2.64eV)低的能隙，這是因為電子施體與受體之間分子內電荷轉移作用力不同的結果。以此茀系施體/受體系列共軛高分子材料為發光層，藉由精準控制PQ含量的多寡達成不完整的能量轉移可以製備發光顏色為白光之發光二極體。其中，PFPQ0.3與BPQ05發光二極體元件的CIE座標與標準的白光座標(0.33, 0.33)非常接近，分別是(0.34, 0.39)以及(0.31, 0.32)。
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有機無機混成材料具有結合其組成物質的特性而產生新功能性材料之潛力。在混成材料中，二氧化鈦扮演著重要的奈米微粒且其擁有許多特別的光學性質，如高折射率，然而製備感光性高分子二氧化鈦混成光學膜尚待研究。在此論文中，主要在設計及合成新感光性聚醯亞胺混成二氧化鈦材料與熱交聯的壓克力高分子混成二氧化鈦材料，並探討其光學及其他物理特性。 論文首先研究探討高折射率又有光敏感性的聚醯亞胺混成二氧化鈦材料。此材料由有壓克力官能基修飾的聚醯亞胺和二氧化鈦前趨物利用酯化反應所合成出來，由羧酸和二氧化鈦的比例，酸的含量，水的多寡，混合的溶劑，等等因素控制可得均勻成一相的混成材料。且所得薄膜具有可寬廣調變的折射率範圍（n = 1.58∼2.03），良好的熱性質，且在可見光區具有很高的穿透度。而且此材料可以沖洗出Y字形的圖案，其線與線的間距大約50微米。 其次探討熱交聯的壓克力高分子二氧化鈦混成材料，此材料乃由有壓克力官能基修飾的二氧化鈦前趨溶液和壓克力單體混成，再經由多步驟的熱交聯所製備。而所製備的混成薄膜具有的折射率範圍大約在n = 1.50∼1.73。且其也具有平滑的表面和在可見光區有良好的穿透度。所研究之高分子二氧化鈦混成材料具有優良的光學特性，可在光電元件，如抗反射膜，光波導等方面具應用潛力。