我的碩士論文主題:軟性電子下的有機半導體傳輸,堪稱是我研究生涯的一場硬仗。
當初為何嘉余學長會指派我去研究用以偵測有機半導體傳輸所需的拉曼光譜,我不得而知,畢竟那時僅是剛入研究室,學長對於我們的能力所知應該有限。但從結果來看,我確實相當「適合」作這番研究,我對於問題探究與極其鑽研的個性,以及為了目標而不斷找尋出路的能力,最終連學長都大吃一驚。但在一開始,我也真不知道自己有這樣的能力,畢竟接受了十多年填鴨式的教育,我剛開始也只是一個被動學習的乖乖牌罷了,除了在語言的自學以外,我當時也對自己的研究能力沒有太大的想法。
因為為了準備博士班入學,使我在工作多年後重新省視了我的碩士研究,我突然發現碩士時期的那些看起來複雜又頗徒勞無功的過程,卻成為我後來在開發生涯中一種自我挑戰的啟發,不由得衷心感謝碩士的研究生活所帶給我的一切。以此,我覺得如果我們一心努力向學,即使結果不成功,也不會是冤枉路,那些我們努力的過程,必當成為人生中的養分,推進我們繼續向前。 在碩士論文研究的環境其實是這樣,當時嘉余學長底下僅有我和書豪兩位碩士生(其他的碩士生我就不特別討論為何沒有被嘉余學長納入旗下了),總之最後我們兩人所獲得的主題,我負責有機半導體傳輸與光譜學的研究,而書豪則負責可溶液製程的鈦酸鋇電晶體製作。前者是一個極其複雜的過程,在我研究如何以「光譜」來驗證「有機半導體」一陣子之後,發現其中的學問是一山比一山高,光是要搞懂其後方的秘密就得不斷探索,推進,擊倒。而後者的研究則是主重製程,由學長根據先前經驗,設計出溶液配方,然後製作成電晶體,不斷地製程改良,最終得到結果。
就結果論而言,後者的結果是比較好的。所謂的比較好,是因為CP值極高,這樣的電晶體完成後,用一些既定的電性分析,研究室最終發表了兩篇paper,相較之下,我的主論文內容雖然艱深,投稿後遇到大量阻礙,最終被期刊給拒絕。因此,上述的兩篇paper,書豪以第二作者榮坐其中,而我額外花了一些心血,在幫學長寫paper,修稿,也才僥倖在其中獲得了第三與第四作者的名號。因此我的碩士生涯所發表的那兩篇論文,完全不是我碩士研究的主要主題,我充其量只是一個輔助角色而已。 但如果,有機會再讓我重選一次主題,前者後者,我會選哪一個呢? 答案非常簡單,我一定會選擇我當初負責的那個CP值極低的主題。為什麼?因為這個主題塑造了往後的我,一個能夠對於一切不解深思熟慮,腦力激盪的我,我當初觸碰的那個領域完全是我過去所不熟悉的「有機半導體」領域,我在該領域裡發揮了大量的自學能力,終於從那其中的精髓當中探得了一些可用的知識,最終得以順利的完成一篇論文,這整個過程,著實是扎實且充滿成就感的。
發表多與少,作者高或低,其實對我而言反而沒那麼重要。 那樣的研究訓練,確實改變了填鴨環境教育下的我。
當初接到了學長的要求,我開始研究「有機半導體pentacene在彎曲之下的拉曼光譜」,目的是在未來我們研究的元件中,可以使用此一方法來偵測「有機半導體的電子傳輸能力」,從文獻中,我得到了一個有機分子間的傳輸能力可以用一種稱作Davydov Splitting的光譜現象給觀察出來,之後,我在這段光譜學裡其實卡關了很久,研究Davydov splitting,以及有機半導體的傳輸機制。 終於,在我把成大光電所鄭弘隆教授的研究,以及其所引用的十多篇論文索引且讀到透徹之後,我終於大致通曉拉曼光譜用來偵測有機半導體傳輸的使用規則,便將這個規則告知學長,也獲得學長大力的讚賞。
之後,學長請我先把幾個材料拿來做成彎曲的電晶體,看看其特性,看起來結果也都有一些趨勢,並且開始學習使用拉曼光譜來偵測。 可就在此時,我們發現,這樣做出來的東西,僅不過是在替他人背書而已,稱不上是什麼獨創的研究內容,於是學長請我幾週之內,將可以產生獨創思維的研究方法提出來,之後再一起討論。
在苦思獨創的研究內容的這段日子,可真的是天天讓我同痛不已,每天就像是有個東西卡在腦中,沒辦法好好休息,沒辦法好好放鬆,每天都只想著要如何解決這個問題。最後,我突然不知道哪根筋開竅,告訴自己,不能再這樣下去,我必須多讀一些書,直到我能想出什麼為止。於是,我開始放下焦慮的心情,大量往「有機半導體電子傳輸」的領域大量的閱讀,從課本,拉曼光譜,分子震動,到Davydov splitting,一塊又一塊的光譜學與解釋文獻被我讀遍了,連就讀化學所的德嫻也被我約到大學路麥當勞懇談一番,這才稍微讓我焦慮的心獲得了穩定。
之後,我一直想著,如果我繼續使用前人所研究過的「拉曼光譜」來達到我的研究,那就僅是替前人背書罷了。我必須找到其他可以用來檢驗有機半導體傳輸能力的方式,並且再加入一些獨創。於是我發現到了當有機半導體分子作用力 (傳輸能力) 改變時,會引起「能帶變化」,於是我從能帶變化作為突破口,發現了「UV-VIS光譜」,這種光譜也能用來檢驗Davydov splitting,來驗證有機分子間的傳輸能力,於是,我的第一個突破口出現了,我想用仿間沒有人試過的「以UV-VIS光譜驗證有機半導體彎曲之下的分子作用力」,並且選定Pentacene,與Tetracene進行比較。
自此,我需要研究如何在UV-VIS光譜裡觀察Pentacen,Tetracene兩種材料的Davydov splitting,很幸運的,這兩種材料在此光譜上的跡象前人都有提過。 不過,從拉曼光譜跳到UV-VIS光譜,這已經是我嶄新的進展了,儘管我只是換一種方法(UV-VIS光譜)研究前人研究過的技術(有機電晶體的彎曲)。
之後,為了我的研究更有深度,我必須把有機半導體傳輸的理論研究的更透徹,以期能找到其他的突破口。在大量的文獻閱讀之下,我發現了傳說中的「馬克思赫許方程式 (Marcus-Hush Equation)」,一個用以描述有機半導體內載子傳輸的一個方程式,而裡面確實有描述到分子作用力,那是其中一項因子。而我發現,該方程式裡頭,還有一下我們所不知道的因子,這個因子叫做「重組能(Reorganization energy)」,這回我覺得如果我們能將重組能也列入研究範圍,應該可以大大增加研究深度,於是我針對重組能做了大批的研究,理解了重組能的定義(聲子與電子作用之能量),以及如何檢驗出重組能。此時我發現,使用UV-VIS光譜,能夠驗證出重組能當中的Huang-Rhys Factor,並且利用公式去計算出這個Huang Rhys Factor的值。
於是我把所有整理好的資料,帶到嘉余學長的家中,向他報告我這幾週的研究。
學長深思了一陣子之後,以他優秀的邏輯,幫我組裝出一個合邏輯的研究主題,我只要依據這個主題把數據都補齊,就可大功告成。
這就是我的研究:研究Pentacene和Tetracene有機電晶體在彎曲之下的電性變化,而後檢驗過去他人所研究過的「分子作用力變化(Davydov splitting)」,但前人使用的是拉曼光譜,而我這回則使用UV-VIS光譜,其次,比對電性變化與分子作用力變化,發現變化率並不相符,於是引進Marcus-Hush方程式,以UV-VIS光譜檢驗重組能 (Huang-Rhys Factor),發現有機半導體彎曲時,其重組能也會改變,然後透過將分子作用力與重組能的變化率帶入Marcus-Hush方程式,計算「有機半導體電子跳躍傳輸能力」的變化率,進而與電性的變化率比對,發現更為吻合。 於是提出「檢驗軟性電子時,得考慮有機半導體分子作用力,以及重組能的變化率,才能知其最終電性的變化率」作為結論。
我的研究生涯幾乎去觸碰了身為電機系學生不會去觸碰的有機半導體傳輸機制,而雖然對嘉余學長而言,這樣的知識對於發表用處並不大,但用於論文中闡述理論,可以讓描述更為生動透徹,因此對於研究室進行有機半導體研究的整個基底和深度,似乎都有了不少增強。所以儘管我的論文最後並沒有成功發表,但我所研究透徹的理論,卻扎實的流傳在後面幾屆的研究當中。看到學長前往義大利研討會報告的照片中,有介紹到Marcus-Hush方程式,心中不免還是感到與有榮焉啊!
這就是我研究的心路歷程,從無到有,挑戰了我的思考極限,以及成就了我未來漸入佳境的研究能力。