聚合物分子刷调控喷墨打印有机半导体薄膜形貌及电学性能

以共轭高分子或小分子为材料基础的印刷电子具有低成本、低能耗、易于实现大面积加工及适用于柔性衬底等特点,受到广泛关注。喷墨打印技术作为一种非接触印刷技术,可以实现复杂图案的直接书写,无需掩膜、光刻工艺,被认为是最具有工业化前景的印制电子技术之一,目前已被广泛应用于制作有机电子器件,包括发光二极管、太阳能电池和场效应晶体管等。与传统的印刷制品不同,喷墨打印电子器件的性能和寿命极大地依赖于打印功能薄膜的质量,对喷墨打印的定位精度、分辨率、薄膜的均匀性和厚度以及薄膜中分子凝聚态结构都提出了极高的要求。基底表面与液滴的相互作用是决定液滴铺展与干燥行为的重要因素,在调控喷墨打印薄膜形貌方面起着重要作用。通常,用于喷墨打印的基底表面都是无机材料或是高度交联的聚合物材料组成的硬表面。它们具有很好的稳定性,但可调性差,主要是通过自组装单分子层(SAM)或涂覆表面涂层等方法改变表面的化学基团调节表面性质。这些化学基团在改变表面性质的同时也可能成为载流子陷阱,影响电子器件的性能。

Untitled合肥工业大学光电技术研究院邱龙臻及其合作者针对这一问题,提出应用不同链长的聚合物分子刷调节喷墨打印薄膜形貌的新思路,无需改变表面的化学基团。通过在硅/二氧化硅绝缘层表面接枝不同厚度的聚苯乙烯分子刷(1.66~7.35纳米),系统研究聚合物刷链长对喷墨打印有机小分子半导体TIPS-并五苯液滴的铺展与干燥行为的影响。发现较短的分子刷对小分子结晶的影响与自组装单分子层类似,得到不均匀的形貌和结晶;较长的分子刷可以在溶液中部分溶胀,进而改变墨滴的铺展行为,钉扎三相接触线,影响溶质迁移,最终改变结晶形貌,得到有序的大颗粒结晶。在5.14纳米厚的聚苯乙烯分子刷上获得的TIPS-并五苯性能最高,平均场效应迁移率为0.35 cm V-1 s-1。相关结果发表在Advanced Electrical Materials (DOI: 10.1002/aelm.201600402)上