Advanced Functional Materials:有机液晶半导体薄膜图案化及其高性能晶体管阵列与电路

有机液晶半导体因其具有优异的成膜性和长程有序的液晶相,通常表现出较高的载流子迁移率,而被认为是构筑高性能有机电子器件的理想材料体系。精确定点、定位沉积高结晶质量的液晶薄膜并形成特定的图案化结构,是将其应用于集成有机器件的前提。这主要是因为图案化结构可以有效减少相邻器件之间的寄生电流与串扰,并提高电路的抗噪声容限。然而,目前广泛使用的喷墨打印图案化技术,难以控制液晶分子的熔融相变结晶过程,因此无法高效可重复地获得高结晶质量的液晶薄膜,这极大地阻碍了液晶半导体材料在高性能集成有机器件中的应用。

苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)的张晓宏教授与张秀娟教授团队针对这一问题,采用喷墨打印技术将液晶材料预先定位沉积,再通过温度控制,调控重熔再结晶中的相变过程,成功制备出了具有大晶粒尺寸的图案化液晶薄膜,并在此基础上构筑了高性能的有机场效应晶体管阵列以及反相器电路。

通过将喷墨打印技术与加热熔融技术相结合的方法,实现了百微米级晶粒尺寸的2,7-二辛基[1]-苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩(C8-BTBT)液晶薄膜的图案化生长。喷墨打印的C8-BTBT材料首先在亲/疏水基底上实现了精确定位,随后的重熔过程使得液态分子在亲水基底上完全铺展。在降温过程中,各向同性的液晶分子发生再结晶相变,从而得到高结晶质量的薄膜。在制备图案化C8-BTBT液晶薄膜的基础上,我们成功构筑了7 × 7的有机场效应晶体管阵列,其平均迁移率为6.31 cm2 V-1 s-1,最大迁移率达到了9.33 cm2 V-1 s-1。同时,图案化的液晶薄膜消除了相邻器件之间的串扰效应,使得构筑的反相器具有高的增益(23.75)及噪声容限高(81.3%)。该方法优异的图案可设计性以及良好的普适性,为实现高性能集成有机器件提供了可行的技术途径。该文章的第一作者是博士生方晓辰和施加林。

论文信息:

Patterning Liquid Crystalline Organic Semiconductors via Inkjet Printing for High-Performance Transistor Arrays and Circuits

Xiaochen Fang, Jialin Shi, Xiujuan Zhang*, Xiaobin Ren, Bei Lu, Wei Deng*, Jiansheng Jie, Xiaohong Zhang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202100237