周芳妃 北一女中 97學年度高級中學夥伴學習群專業成長化學科研習

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1 周芳妃 北一女中 97學年度高級中學夥伴學習群專業成長化學科研習
先進材料 周芳妃 北一女中 97學年度高級中學夥伴學習群專業成長化學科研習

2 定義 先進材料？ Advanced Materials ?

3 Google 一下: What is Advanced Materials?
Advanced Materials: Advanced materials -- metals, metallic alloys, ceramics, plastics, composites, and organics -- is a broad technology category based on a rapidly evolving area of science, with applications ranging from aircraft to computer chips. Advanced structural materials can make products strong, lighter, and more effective as well as enable the development of totally new products. The materials can increasingly be designed and tailored to specific applications. A material is said to be "advanced" if it is a new material for the application. www-agecon.ag.ohio-state.edu/class/AEDE601/glossary/glossa.htm

4 Google 一下: What is Advanced Materials?
Advanced Materials is a peer-reviewed materials science journal published every two weeks. It includes Communications, Reviews, and Feature Articles from the cutting edge of materials science, including topics in chemistry, physics, nanotechnology, ceramics, metallurgy, and biomaterials, and is one of the most heavily cited journals in this multidisciplinary field. … The 2007 ISI Impact Factor of Advanced Materials was Frequent topics covered by the journal also include liquid crystals, semiconductors, superconductors, optics, lasers, sensors, mesoporous materials, shape memory alloys, light-emitting materials, magnetic materials, thin films, and colloids. en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Materials

5 Advanced Materials has been bringing you the latest progress in materials science for more than 20 years. … 期刊

6 看看中文吧 ! 救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 期刊 喔! 查不到。 沒關係，再查 !

7 看看中文吧 ! 救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 Keyword: 液晶 液晶材料的新發展 徐秀福
救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 Keyword: 液晶 液晶材料的新發展 徐秀福 CHEMISTRY (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI) MAR Vol. 60, No. 1, pp.79~83 隨著液晶顯示器的普及，液晶材料的討論及研究也 更加廣泛。而液晶材料的最主要特性便是其同時具有液 相的分子移動或流動性及晶相的分子高整齊排列性。…

8 看看中文吧 ! 救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 Keyword: 有機發光二極體
救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 Keyword: 有機發光二極體 有機顯示器晉升家電產品行列 原作者：Olaf Gelsen 譯 者：許清華 陳冠宏 陳錦地 CHEMISTRY（THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI）December Vol. 61, No. 4, pp.721~723 一種由有機發光二極體(OLEDs)所製成更明亮、更有效能的顯示器已在行動電話與數位像機等產品上出現了。來自德國OLED 製造商Covion 有機半導體廠商的技術行銷經理Olaf Gelsen，說明這令人期待的新技術。…

9 看看中文吧 ! 救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 Keyword: 有機高分子
救星1號: 化學季刊 中國化學會出版品 Keyword: 有機高分子 科學上的重大發現有時起自不經意的錯誤 ~ 談2000 年的諾貝爾化學獎 吳春桂 CHEMISTRY (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI) Mar Vol. 59, No.1, pp. A5~A7 瑞典皇家科學院將2000 年的諾貝爾（Nobel）化學獎（獎金美金91 萬3 千元）頒給美國賓州大學化學系的MacDiarmid 教授、美國加州大學聖塔芭芭拉分校高分子與有機固體研究所的Heeger 教授、以及日本筑波大學材料學院的Shirakawa 教授等三位學者，表彰他們在導電高分子（或有人稱導電塑膠）上所做的先驅性研究。所謂的導電高分子是一系列含有碳-碳單、雙鍵交替連結而成（即所謂的共軛結構）之有機高分子，這類物質經由適當的化學反應可做成具有半導體或導體特性的材料，開啟了有機分子應用在電子產品的紀元。…

10 看看中文吧 ! 救星2號: 科學發展月刊 國科會出版品 期刊

11 看看中文吧 ! 救星2號: 科學發展月刊 國科會出版品
喔! 查到 ”  第六屆先進材料之製程及製造國際會議 ”。 科發月刊歷史資料(91年前) !

12 看看中文吧 ! 救星2號: 科學發展月刊 國科會出版品 Keyword: 變色 水泥 郝俠遂
水泥 郝俠遂 科學發展2007年1月, 409期, pp.60~65 這些加工物可以使得城市建築物變得更亮麗多彩。最有趣的是「變色水泥」，在水泥燒製過程中加進二氯化鈷，它在空氣乾燥時，呈現藍色；天快要下雨空氣潮濕時髒它變成紫色；下雨以後，這種水泥又因為吸了水分而變成豔麗的玫瑰色。除了多采多姿以外髒還可以預報天氣呢！…

13 看看中文吧 ! 救星2號: 科學發展月刊 國科會出版品 Keyword: 變色 具奈米結構的變色龍面板 陳浩銘 辛嘉芬 劉如熹
具奈米結構的變色龍面板 陳浩銘 辛嘉芬 劉如熹 科學發展2008年8月, 428期, pp.58~61 一輛遠方行駛過來的車子，遠看是一種顏色，當靠近你時，它為何又變成另一種顏色了呢？金屬外殼怎會在不同角度下呈現不同的色澤呢？讓現在最夯的奈米技術帶你進入科技變色龍的世界！… 只要在多孔性的氧化鋁膜中填入金屬做為光線的反射層， 入射的光束就可與被金屬反射的反射光束產生干涉現象， 而製造出人工的光學薄膜，在不同的角度下看，便可呈現不同的顏色。

14 普通高級中學化學科課程綱要補充說明 中華民國九十七年八月
課綱說什麼 ？ 普通高級中學化學科課程綱要補充說明 中華民國九十七年八月 第一章 修訂理念與特色 貳、修訂特色 四、新增「化學與化工」的主題內容，增加了少許介紹先進或生活中 的科技、工業、永續發展與化學及化工的關係等，兼顧了科學、 科技、社會（STS）的精神。所佔教學時數雖只有2小時但因涉 及生態、環保及化學新知等重大議題，益顯其重要性。 五、注重本土特性與最新資訊，並配合「海洋教育政策」，將臺灣 附近海域能、資源的蘊藏與開發適度納入。

15 種子老師在高中化學學科中心學什麼 ？ 材料化學 徐秀福 淡江大學化學系 Crystal – heating process
材料化學 徐秀福 淡江大學化學系 中華民國九十八年二月廿七日 Crystal – heating process Liquid Crystal – heating process

16 種子老師在高中化學學科中心學什麼 ？

17 種子老師在高中化學學科中心學什麼 ？

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19 化學與科技 電致變色(electrochromism)材料
液晶窗簾 開(有電場)：透明 關(無電場)：不透明 19

20 化學與科技 熱致變色(thermochromism)材料
高溫---不透光 低溫---透光 含液晶之聚合物 20

21 化學與科技 光致變色(photochromism)材料
AgCl (Ag+) Ag 銀離子 銀金屬 透明 不透明 亞銅離子 銅離子 21

22 typical methods of doping
化學與科技 導電高分子 polymer structure typical methods of doping typical conductivity (S cm-1) polyacetylene polyphenylene poly(phenylene sulfide) polypyrrole polythiophene poly(phenyl-quinoline electrochemical, chemical (AsF5, I2, Li, K) chemical (AsF5, Li, K) chemical (AsF5) electrochemical (sodium naphthalide) 500 ~ 1.5 x 105 500 1 600 100 50 22

23 化學與科技 導電高分子 Conducting Polymers ~ ~ conductivity (S cm-1) 105 100 10-5
化學與科技 導電高分子 Conducting Polymers organic polymers organic and molecular crystals inorganic materials TMTSF2PF6 (superconducting) ~ ~ Cu metals 105 graphite pyropolymers polyacetylene poly(p-phenylene) poly(phenylene sulfide) polypyrole Hg Bi Si ZnO TTF-TCNQ Ge (doped) 100 conductivity (S cm-1) doped polymers Si semiconductors polythiophene Cu-TCNQ 10-5 B polyphthalocyanine Ag-TCNQ HO2 iodine polyacetylene 10-10 ZnO polydiacetylene polythiophene polypyridine Nylon poly(p-phenylene) poly(phenylene sulfide) PVC polystyrene polyimide (Kaplon) PTFE (Teflon) insulators Cu-phthalocyanine anthrocene 10-15 23 10-20 diamond SiO2

24 [unbound receptor][analyte]
化學與科技 導電高分子 – 應用 化學感測 其中一重要機制為利用螢光變化感測(螢光：高感度): 傳統化學感測: 感度決定於 Keq = [bound receptor] [unbound receptor][analyte] + - 串聯感應單元共軛高分子(conjugated polymer): 因集合式感測反應而放大感應 n + - 24

25 發光 V electrode 化學與科技 有機發光二極體(organic light emitting diode, OLED)
發光層emitting material V 透明電極transparent electrode 玻璃glass 發光 電子傳輸層 發光層 V electrode 電洞傳輸層 電子載子 電洞載子 發光層材料之HOMO/LUMO能隙決定發光光色 電子、電洞之遷移速率須搭配 材料之HOMO及LUMO須與電極搭配 發光效率與分子間排列模式有極大關聯 25

26 有機分子排列狀態對電荷遷移率(charge mobility)之影響
C.-C. Wu & K.-T. Wong Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 電荷遷移率：對於有機發光二極體、太陽能電池、有機電晶體等光電裝置 之效能有極大的影響 26

27 簡易判別分子排列模式 偏光光學顯微鏡 材料於液晶相時在偏光光學顯微鏡下觀察到之光學紋理圖 未配向 配向 偏光片 光學紋理圖 27

28 簡易判別分子排列模式 偏光光學顯微鏡 由紋理圖判斷分子排列情形 向列型 (nematic) 層列型 (smectic)
簡易判別分子排列模式 偏光光學顯微鏡 由紋理圖判斷分子排列情形 向列型 (nematic) 層列型 (smectic) 筒型 (columnar) 28

29 分子間 vs. 分子內 立體效應、電子效應：兩系統皆適用 分子內 作用力：共價鍵 結構-原子排列 反應-斷共價鍵、生成共價鍵 原子重排
物理性質：分子性質 分子間 作用力：非共價鍵 結構：分子內-原子排列；分子間：分子排列 反應：斷非共價鍵或共價鍵、生成非共價鍵或共價鍵 原子重排、分子重排 物理性質：塊材性質(分子性質、集合性質) 立體效應、電子效應：兩系統皆適用 化學應用於光電科技：絕大多數於凝態，因此分子內及分子間關係都非常重要 29

30 作用力：分子間 vs. 分子內 分子化學利用共價鍵 超分子化學利用非共價鍵 金屬-配基 p-p疊合 C-H-p作用力 離子對 氫鍵 疏水效應
30 疏水效應 陽離子-p 效應 凡得瓦作用力

31 Measurement and Simulation of Optomechatronic Systems
2. Flow visualization techniques 液晶材料簡介 (分子內與分子間！) 31 31

32 Measurement and Simulation of Optomechatronic Systems
液晶材料之一般性質 Measurement and Simulation of Optomechatronic Systems 2. Flow visualization techniques 液晶相：有秩序性液體(流動性)--分子排列整齊  性質異向性(非等方性；平行、垂直於分子軸之物理性質不同) 例如：光學異向性(birefringence) 流動性：可利用電場與偶極作用而調控分子方向 特性： 對溫度變化敏感 對壓力變化敏感 自組裝 經扭曲後易復原(流動性) **液晶材料：(在某溫度範圍)具液晶性質(動態整齊分子排列)之化合物 32 32

33 液晶材料之雙(多)熔點特性 熔點1 熔點 熔點2 溫度 can be manipulated 7CB (C7-cyanobiphenyl)
LC 7CB (C7-cyanobiphenyl) 中間相、液晶相 mesophase, liquid crystal phase ordered liquid can be manipulated 晶體 crystal, K 等方性液體 isotropic, I 熔點1 熔點 熔點2 溫度 33

34 液晶類型分類 依分子幾何形狀 分子形狀與液晶性質 桿狀分子 (分子間作用力弱) 盤狀分子 (分子間作用力強)
液晶類型分類 依分子幾何形狀 分子形狀與液晶性質 桿狀分子 (分子間作用力弱) 盤狀分子 (分子間作用力強) 分子幾何形狀不同：作用力模式不同 34

35 分子 vs 分子間 液晶類型分類 依分子排列關係 調控分子排列 --- 利用液晶性質 顯示器 光柵 分子導線
液晶類型分類 依分子排列關係 調控分子排列 利用液晶性質 分子 vs 分子間 向列型 (nematic, N) (分子軸大致指向同一方向) 層列型 (smectic, Sm) (除了分子軸大致指向同一 方向外，上有分層之關係) 筒型 (columnar, Col) (盤狀分子沿著盤的法線， 如疊盤子般碟成筒狀) 顯示器 光柵 分子導線 應用：依據其特有物理性質找出其應用潛力 35

36 盤狀分子之排列模式 不同盤狀分子結構或不同官能基團對分子間作用力影響也不同 筒型 盤狀向列型 36

37 熱致型液晶(thermotropic LCs) ：經變溫(加熱、降溫)達到液晶相之形成 例如：LCD使用之液晶
液晶類型分類 依液晶相形成方式 熱致型液晶(thermotropic LCs) ：經變溫(加熱、降溫)達到液晶相之形成 例如：LCD使用之液晶 濃致型液晶(lyotropic LCs) ：經摻雜溶劑後(經變溫或不經變溫)形成液晶相 例如：肥皂垢 37

38 熱致型液晶 晶(固)態 液晶態(層列相) 液晶態(向列相) 液態 異向性 等向性 兩垂直方向之物理性質(例：導光)不同 38

39 顯示器使用之液晶材料 顯示器液晶材料 結構與功能之關係 早期LCD使用材料 (電子錶) 新LCD使用材料 39

40 顯示器使用之液晶材料之性質要求 操作溫度：-40~100 oC (顯示器操作溫度  此溫度範圍內材料須具液晶相)
介電異向性(De, dielectric anisotropy; 水平與垂直於分子軸方向之介電常數差) ：使可利用電場調控液晶分子方向 彈性常數(K, elastic constant)：描述施加電場與分子排列形變 雙折射率：平行與垂直於分子軸之折射率差 (Dn = n║ - n┴) 旋轉黏度(g1)：分子旋轉 **所需施加電場大小 與(DeK)成正比 **應答時間 與旋轉黏度(g1)有關，黏度愈小應答時間愈短。 **透光率之改變(灰階；明暗度) -- 與雙折射率(Dn)及液晶層厚度(d)之乘積(dDn)成正比 40

41 分子結構與液晶形成溫度之關係 通常尾烷鏈越長熔點越低(因分散力越大) 41

42 顯示器使用之液晶材料 顯示器液晶材料 結構與功能之關係 顯示器之液晶材料: 10 ~20 混合物
顯示器液晶材料 結構與功能之關係 顯示器之液晶材料: 10 ~20 混合物 *並非所有化合物皆具液晶相；混合物具液晶性質 *混合以達到液晶顯示器所需之光電性質 液晶顯示器之液晶材料性質要求： 操作溫度(operating temperature range) 介電異向性(De, dielectric anisotropy) 彈性常數(K, elastic constant) 雙折射率 (Dn) 旋轉黏度(g1) 42

43 顯示器使用之液晶材料 結構與功能之關係 液晶材料之最近發展方向 引入飽和環  低雙折射率 改善透光率(明暗度、灰階)
顯示器使用之液晶材料 結構與功能之關係 液晶材料之最近發展方向 -F vs. -CN (強偶極距官能基) -CN: 抓離子(金屬陽離子)能力強  大幅影響材料電的性質 -F: 通常具有較廣之液晶存在溫度範圍 引入飽和環  低雙折射率 改善透光率(明暗度、灰階) 引入多氟官能基(e.g. -CF3)  降低分子旋轉黏度  縮短應答(反應)時間 在垂直於分子軸方向(分子側邊)引進偶極距  低介電差  降低所需電場  省電 43

44 顯示器所使用液晶材料之設計 實例 example 1: 負介電差(-De)材料：在垂直於分子軸方向(分子側邊)引進偶極距
顯示器所使用液晶材料之設計 實例 example 1: 負介電差(-De)材料：在垂直於分子軸方向(分子側邊)引進偶極距 example 2: 低雙折射率(low Dn)材料：引入飽和環(cyclohexane) example 3: 低旋轉黏度(low g1)材料：引入多氟官能基(e.g. -CF3) -F vs. -CN (強偶極距官能基) -CN: 抓離子(金屬陽離子)能力強  大幅影響材料電的性質 -F: 通常具有較廣之液晶存在溫度範圍 -F, -CF3, -OCF3, -OCnFn+1, -SF5, ….. (多氟官能基) 因所在位置在分子尾端、中間或側邊，其造成之物理性質亦不同 44

45 Chemistry plays an key role in development of LC materials
顯示器使用之液晶材料 結構與功能之關係 液晶分子之結構---與其物理性質有著絕對的關係 因此，設計液晶分子時，官能基團的選擇與及所放的位置相當重要 *液晶分子結構之修改 --- 通常在加強某一性質的同時可能降低另一性質 *液晶混合物而非單一化合物之特性為取決因素 Chemistry plays an key role in development of LC materials 45

46 液晶材料中分子方向整齊度 分子方向可以被操控(例如：電場) 小範圍(小面積)分子排列整齊度
非等向性質anisotropic properties (e.g. optical) 分子方向可以被操控(例如：電場) 小範圍(小面積)分子排列整齊度 晶體 ordered fixed 液體 ~random mobile 分子堆疊(orientation) 分子位置(position) 液晶 ordered mobile 46

47 液晶顯示器 明暗 顏色 偏光膜(Polarizer) 光通過 光無法通過 液晶顯示器之顏色顯示：濾光片

48 液晶材料中分子方向整齊度 配向膜 *受溝槽影響程度越小 *受相鄰層之分子間作用 力影響越大 最底層 第二層 第三層 第四層 液晶分子
液晶材料中分子方向整齊度 配向膜 *受溝槽影響程度越小 *受相鄰層之分子間作用 力影響越大 最底層 第二層 第三層 第四層 液晶分子 接近溝漕液晶分子會順著溝槽方向 平行排列 具有整齊方向溝槽之配向膜 利用布轉輪對渡在玻璃基材上之高分子進行溝槽研磨 再利用溝槽對液晶分子配向 48

49 液晶分子與玻璃表面作用力 界面 經以沾有酒精之試鏡紙順同一方向摩擦產生溝槽及配向結果 glass 若液晶分子末端有適當官能基團與玻璃表面
液晶分子與玻璃表面作用力 界面 glass 若液晶分子末端有適當官能基團與玻璃表面 形成強吸引力，則分子長軸垂直於玻璃表面 經以沾有酒精之試鏡紙順同一方向摩擦產生溝槽及配向結果 49

50 液晶分子受電場之影響 利用polyimide對液晶分子配向 施加電場 偏光板 過不通過—暗 光通過—亮 無電場 施加電場 50

51 利用分子設計調控分子堆疊模式 e.g. 改變官能基團種類或官能基團位置  調整分子間作用力(大小及三度空間位置)  不同分子排列模式
 不同應用 51

52 R1-A-[L1]-B-[L2]-C-[L3]-D-R2
利用分子設計達到可形成液晶相之材料 分子間各種吸引力與各種分散力之微妙且精密平衡 吸引力 --- 例如：p-p作用力、氫鍵、偶極—偶極作用力 分散力 --- 例如：尾鏈測鏈之擾動、鍵的旋轉 具有液晶性質之分子的化學結構通式 R1-A-[L1]-B-[L2]-C-[L3]-D-R2 R1, R2: 尾端基 液晶相穩定度 : CN > OCH3 > NO2 > Cl > CH3 > I > CF3 >H A, B, C, D: 環 L1, L2, L3: 連結基 (至少兩個環) 52

53 分子排列成管柱 強吸引力 操控環狀分子排列  形成中空管狀結構 53

54 液晶材料分子之製備 化學合成 化學物質結構及組成鑑定 性質量測 有機及無機化學 NMR、質譜、元素分析 儀器分析化學
偏光光學顯微鏡—紋理圖：利用光學性質判斷分子排列情形 熱分析—熱差掃描分析儀：熱性質(相變化溫度、熱焓) 粉末X光繞射—分子堆疊情形，分子間距離 介電常數、各種黏度、開關電壓、雙折射率.... 儀器分析化學 性質量測 物理化學 物理 跨領域 光電學 54

55 液晶? 固態、液態、氣態 液晶態 液晶：物質之其中一種可能狀態 某些具液晶性質之材料可以應用於顯示科技 > LCD
具液晶性質之材料可以利用其液晶性質作其他應用 55

56 謝謝大家的聆聽 http://www.nanochem.bham.ac.uk/liquid_crystals/lc_index.htm