Advanced Materials:印刷制备大面积有机单晶阵列电路

近十年来,以有机半导体材料为主体的有机电子学获得了快速发展和学界广泛的关注,因为其本征的机械柔性和可溶于常见有机溶剂等特点,使得有机电子器件非常适合于大面积、柔性电路的应用场合并且可以实现以印刷方法为主的溶液法加工,大幅降低制造成本,因而被认为是下一代电子器件的有力候选者。这其中为充分发挥有机电子器件的核心优势,如何摒弃传统半导体工业以光刻为主的制造方法,实现低能耗、低成本的印刷制造有机电子器件和电路,并同时保持器件的高性能,是重点需要突破的方向,也是未来有机电子器件能否走向应用的重要决定因素。场效应晶体管作为集成电路的基本构成单元,发展印刷制造有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor, OFET)及其阵列电路,可满足多种重要的应用需求。例如作为新型显示元件的背板驱动单元,构建数字逻辑电路,实现逻辑运算、射频识别等功能应用,为上述应用行业带来变革性的发展。

印刷OFET器件已有相关报道,但是几乎所有工作中,器件中最重要的有机半导体层的材料形态为非晶态或者多晶态。作为载流子传输的有效通道,有机半导体的材料形态直接决定了器件的电学性能。对有机小分子半导体而言,最理想的材料形式为单晶态的半导体层,规则排列的分子保证了高效率的载流子传输,杜绝了晶界和其他缺陷的影响,而多晶甚至非晶态的薄膜会使得器件性能大幅度降低。同时,在构筑器件阵列时,不同器件之间的性能差异需要尽量小,保持高度的性能一致性,理想状态是采取有机单晶阵列来构筑器件和电路,这样每一个器件单元都具有相同的晶体取向、厚度和晶体质量。因此发展单晶态有机薄膜阵列的印刷工艺方法对OFET走向应用具有重要意义。

天津大学胡文平教授、任晓辰博士团队在印刷有机单晶器件电路方面取得了重要进展,利用溶液剪切法制备大面积有机小分子二维单晶并辅助以丝网印刷图案化保护层和湿法刻蚀,成功实现了全溶液法、无需真空条件的厘米级大面积有机二维单晶阵列的制备,并进一步以此为基础构筑了OFET器件阵列和反向器等逻辑电路,获得了优异的器件性能。该方法的核心分为两步,第一步采用溶液剪切法获得C8-BTBT、C6-DBTDT等有机小分子的厘米级别的单晶态薄膜,并以此为基础构筑单晶阵列。第二步采用丝网印刷的方法在半导体表面印刷PVA水溶性保护层,这一步难点在于大部分有机小分子材料表面为疏水性,添加PVA以便改善保护层的浸润效果,提高印刷质量。接下来利用湿法刻蚀去除未覆盖的半导体部分,最后洗掉水溶性保护层,就得到了图案化的有机单晶阵列。此方法的优点是所有阵列图案来自于同一片晶体,具有高度一致的晶体质量和取向,保证了器件阵列的性能均一性,并且水溶剂体系对有机半导体足够安全。该方法对未来构筑复杂高性能有机电路具有重要意义。相关论文近期在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908388)上。本文第一作者为段树铭博士、汪涛硕士,论文的通讯作者为胡文平教授、任晓辰博士。