Small:面向超高分辨率电子器件定向自组装的基板表面双重构形技术

基于基板表面能差异驱动的自组装图案化技术在增材制造电子(AMEs)领域受到越来越多的关注。通过调控基板表面的亲疏水性可以有效引导液态油墨自发流向指定区域,实现功能材料的定向自组装图案化。这种自组装图案化技术操作简单,对设备要求低,在大面积有机光电二极管、柔性传感器和有机薄膜晶体管制造方面有着巨大的应用潜力。

目前已有大量工作致力于提高自组装功能图案的分辨率和性能。比如,通过光刻或图案转移技术构建具有低表面能的排斥图案作为牺牲层,可以将功能油墨限制在特定区域内,进而实现功能油墨图案化。此外,通过电子束光刻技术构建具有高表面能的槽或脊结构,可以吸引功能性墨水定向流动并实现图案化。尽管部分工作已经能够实现亚微米分辨率的自组装图案化,但它们均离不开构建辅助结构的繁琐过程,这严重降低了高分辨率自组装技术的适用性。相比之下,日本国立材料研究所三成刚生课题组前期提出了平行真空紫外光改性技术,该技术可以高精度地将疏水基板表面直接转化为亲水表面,并实现了金属颗粒油墨自组装,室温下获得了具有1 µm分辨率的柔性导电电路。然而,关于亚微米级分辨率的自组装图案化技术一直未被报道。原因可能包括以下两点:1)随着分辨率的提高,改性亲水区域和原始基板之间的表面能差异大幅度降低,进而导致触发自组装的驱动力降低;2)基板与功能油墨界面的收缩导致水平方向拉普拉斯压力加剧,进而产生了向上的拉力将油墨拉离基板,导致无法实现图案化。

江南大学李万里教授与日本国立材料研究所三成刚生研究员课题组针对这一问题提出了一种基于基板表面双重构形策略的超高分辨率定向自组装技术,证明了同时增强基板改性区域的表面能和表面附着力是获得亚微米级分辨率自组装的关键因素。该团队通过平行真空紫外光照和化学极化处理,构建出了具有增强极性的亲水区域,在改善基板表面能的基础上大幅度提高了其表面附着力,从而提高了对功能性油墨的润湿和钉扎作用。基于此技术,该团队首次展示了600 nm分辨率的定向自组装电路,同时解释了抑制咖啡环效应的原理。此外,该团队结合室温印刷技术,制造出了高性能短沟道有机场效应晶体管阵列。相关研究成果发表在Small上,研究人员期望这些结果能促进高分辨自组装图案化技术在AMEs中的实际应用。

论文信息:

Dual Surface Architectonics for Directed Self‐Assembly of Ultrahigh‐Resolution Electronics

Lingying Li, Wanli Li*, Qingqing Sun, Xuying Liu, Jinting Jiu, Mizuki Tenjimbayashi, Masayuki Kanehara, Tomonobu Nakayama*, Takeo Minari*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101754