超薄、超柔自支撑有机电子器件和电路

(a) 表面覆盖320纳米有机场效应晶体管的刀刃的扫描电镜照片,插图为侧视图;(b) 自支撑的五阶环形振荡器和转移到百元人民币衬底上照片。

柔性是有机电子电路相对于传统硅基电子产品的一个独特优点。为了充分地发挥出有机半导体材料固有的柔性优势,科学家们在过去对有机器件结构做了很多创新。在之前发表的文献中,通过采用超薄塑料衬底以及其它技术手段,有机场效应晶体管的最小弯曲曲率半径已经降低到100微米。最近,在超薄超柔有机电子器件这一热门研究领域,中国科学院化学研究所的刘云圻研究员带领的团队取得了新进展,他们成功地将有机场效应晶体管的柔性指标——弯折曲率半径又降低了一个数量级,达到5微米

“这项工作的思路并不复杂。我们知道,对于给定的薄膜晶体管,在弯曲状态下器件的表面张力与器件的厚度成正比。这就是说器件越薄,在同等条件下的弯曲稳定性就越高。在2010年,该团队曾经开发出一种水浮法技术,可以用于超薄自支撑介电层的制备。”刘云圻研究员在接受本网站采访时阐述道。“今天我们采用这种技术,制备了超薄介电层支撑的整个器件和电路,其总体厚度可以降低到320纳米。打个比喻,280层这样的自支撑电路叠在一起,其厚度仅相当于一张百元人民币的厚度。这是目前世界上最薄的自支撑有机场效应晶体管。这种超薄器件同时具备极佳的弯折稳定性也就是意料之中的事了。”

在实验中,如何方便可靠地对这种超柔器件进行弯曲状态下的电学测试成为一个技术难点。刘云圻研究员的博士生张磊同学联想到刀刃是日常生活中常见的,表面弯曲曲率半径最小的物品,因此尝试将制备的超薄器件贴在刀片的刀刃处(图a)。器件成功地展示出优异的弯曲稳定性,经过电镜校正,器件的弯折曲率半径可以降低到5微米,同时器件性能不受弯曲状态影响。这也刷新了有机场效应器件的弯折稳定性纪录。

刘云圻研究员指出:“我们制得这种超薄超柔电子器件是无衬底的。如果能够将这种无衬底器件集成为功能电路,然后再转移到日常生活中常见物品的表面,就可以使这些物品智能化,方便人们的生活。”

该研究工作的另一项亮点就是大面积、超薄的有机电路制备和转移。基于两种有机半导体互相配合,刘云圻研究员团队制得了互补型倒相器和五阶环形振荡器,并成功地将它转移到百元人民币的表面上,互补型倒相器和五阶环形振荡器都能正常工作(图b)。在前人的工作中,这种“钱币上的电子学”都是基于原位制备,在钞票表面逐层沉积电子电路的功能层。刘云圻研究员团队提出的新方法将电路制备与转移过程分开,大幅度的降低了制备过程中的复杂程度。

另外,由于这种器件的加工制备技术具有一定程度的普适性。在将来,还可以采用类似的方法得到超薄超柔的有机发光晶体管和太阳能电池等器件结构,为有机电子器件的发展提供新的希望。

Xu Guangchen About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。