光驅動有機電子元件發展趨勢：材料世界網

林彥丞、陳文章 / 臺灣大學化工系

伴隨行動通訊普及與資訊傳遞快速成長，可見光無線通信被視為具有高度潛力可以改善現今無線網路技術所造成的訊號延遲與受限的訊號傳遞速度。而要實現可見光無線通信必須開發對應之材料與光電元件，本文將針對光驅動有機電子元件，包含光學記憶體、光感測器、人工視網膜以及人工神經元之發展趨勢進行相關說明與介紹。

【內文精選】

光驅動有機電子元件

無線網路通信(Wireless Fidelity，簡稱Wi-Fi)技術廣泛應用於我們的日常生活中，但是Wi-Fi技術仍受制於其有限的頻譜、傳輸速率、能量消耗與較低的安全性，為了改善這個問題，可見光無線通信(Light Fidelity，簡稱Li-Fi)技術近年來開始在學術研究端發展，其具有低延遲、高隱密性以及高數據傳輸速率，理論可達224 GB/秒，是目前Wi-Fi技術最快標準的100倍。要實現Li-Fi技術必須開發對應之材料與光電元件，包含光學記憶體(Photomemory)、紅外線感測器、人工視網膜(Artificial Retina)以及人工神經元(Artificial Synapse)，而元件的構型則包含二極體型(Diode Type)、憶阻器型(Memristor Type)、電晶體型(TransistorType)與逆變器型(Inverter Type)元件。本文將針對晶體型與逆變器型光電元件應用於光學記憶體、光感測器(Photodetector)、人工視網膜以及人工神經元的開發進行討論。

圖一、光驅動記憶體材料設計概念與相關光驅動元件發展趨勢

光學記憶體

過去數年間穿戴式電子裝置以及物聯網、人工智慧技術蓬勃發展，有機記憶體元件發展迅速，因為有機材料具備較佳的機械特性，以及溶液式低溫製程，更具備可調控且多變性的材料元件特性。然而傳統記憶體元件以電場之操作模式需要進一步革新，光學記憶體元件藉由引入光寫入或光抹除更可有效提升元件操作效能、多階段與多位元資料存取以及降低能耗，除此之外也能維持有機記憶體元件之柔軟特性，因此電晶體式光學記憶體已引起各界關注而快速發展。

1、有機鈣鈦礦複合材料

有機鈣鈦礦奈米晶體具備高光學響應表現、微小奈米晶粒與溶液製程之優點，最受廣泛研究。藉由聚苯乙烯作為鈣鈦礦奈米晶體之分散基質，達到以120秒藍光(450奈米)寫入以及-60 V之讀取電壓，達成10⁴開關比。而其中聚吡啶乙烯具氮基孤對電子能與鈣鈦礦鉛離子形成路易士酸-鹼對螯合，具有更好的晶粒控制效果，可以達到奈米晶體之分散與尺寸限制(<10奈米)，遠低於聚苯乙烯作為基質之奈米晶粒尺寸(50奈米)，以此系統作光學記憶體元件，可以實現5秒綠光(530奈米)寫入以及-1 V之讀取電壓，達成10⁴之電流開關比。

人工視網膜

人工視網膜元件是實現智慧辨識與機器人視覺之關鍵元件，考量生物應用之發展方向，元件設計之先決條件必須在低電壓操作，而逆變器型元件除了能夠符合這樣的訴求，更需具有與積體電路之高度相容性。逆變器是由一個P型電晶體與一個N型電晶體所組成。圖五展示了由一個P型電晶體式記憶體與一個N型電晶體式記憶體所組成的人工視網膜，該系統展現了複合功能之元件，包含可見光感測與藍光記憶的特性。其原理是利用P型與N型電晶體式記憶體之載子傳輸能力之不匹配，而強化了P型端的藍光記憶體特性，並且讓N型端具有高揮發度之可見光感測功能，所以N型端能夠作為人工視網膜對可見光有辨識功能，且具有低電壓、高敏操作之特性；而P型端能夠記憶藍光暴露量，藉此實現視網膜安全性偵測之功能 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。