郑州大学刘旭影/孙晴晴团队Nano Letters:表面能可控智能含氟聚合物开发及高分辨图形化扩展,助力高性能光电器件
有机半导体（OSC）图案化技术作为柔性电子与可穿戴设备等新兴领域的核心工艺，对实现高性能集成系统具有重要意义。然而，微米级及以下的空间图案化技术一直是制约有机电子器件规模化应用的瓶颈。传统溶液加工技术如喷墨打印受限于溶质无序堆积、边缘富集效应和马朗戈尼对流等因素，图案分辨率通常局限于10–50微米，难以满足高密度有机集成电路的制备需求。近日，郑州大学刘旭影、孙晴晴团队开发了一种可光图案化的氟化共聚物模板系统，通过一步法实现了表面能梯度可调的高分辨率微通道制备，为溶液加工有机半导体提供了精准结晶控制平台。该成果以“High-Resolution Photopatterning of Surface-Energy-Tunable Fluorinated Polymers as Versatile Templates for Solution-Processed Organic Electronics”为题发表在《Nano Letters》上。有机半导体图案化是柔性电子集成中的关键挑战，传统溶液法加工分辨率有限，难以实现微米级精细结构的均匀制备。研究团队设计合成了一类含氟丙烯酸酯与三嗪交联节点的光敏共聚物，其薄膜表面能在14.4-24.3 mN/m范围内可调，水接触角介于90°-110°之间（图1）。通过365 nm紫外光照射并搭配光掩模，该材料可实现分辨率达2微米的亲疏水微通道图案化（图2），薄膜同时具备高透明度（>93%）、优良耐溶剂性（12小时浸泡后质量保持>85%）及高热稳定性（>200°C）。图1.四种氟化聚合物的材料表征，包括表面能（14.4–24.3 mN/m）、溶剂耐受性（>85%质量保留）及高透明度（>93%）。图2. 氟化聚合物的光图案化结果，展示其可实现最小线宽2微米的高分辨率亲疏水微通道阵列。图3. C8-BTBT在微通道内的定向结晶行为，实验与模拟共同证实临界亲水通道宽度约4微米，5微米通道可获得连续半导体薄膜。在表面能梯度的调控下，研究团队在宽度为5微米的亲水性微通道中，引导C8-BTBT半导体溶液定向铺展与结晶。通过建立毛细驱动流动模型，理论预测出实现连续液膜所需的临界亲水通道宽度约为4微米，与实验结果中5微米通道可获得均匀半导体薄膜高度吻合。显微结构表征显示，C8-BTBT在微通道内形成高度取向的纳米晶带，二维GIWAXS与SAED分析证实晶体沿ππ堆积方向有序排列（图3），有利于电荷传输。图4. 基于图案化C8-BTBT的有机薄膜晶体管表现出高达8.61 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率与~108的开关比，器件均匀性良好。图5. C8-BTBT:TIPS并五苯共混体系在微通道模板中形成均匀晶体阵列，实现400–650 nm波长选择性光响应与视网膜式图案识别功能。基于上述模板制备的C8-BTBT有机薄膜晶体管（OTFT）表现出优异的电学性能：最大空穴迁移率达8.61 cm2 V-1 s-1，开关比约108，36个器件平均迁移率为5.45 cm2 V-1 s-1，显示出良好的器件均一性（图4）。此外，研究团队进一步将策略拓展至C8-BTBT与TIPS-Pentacene共混体系，在相同模板上实现了在400-650 nm波长范围内具有选择性光响应的单片集成阵列。该阵列可模拟视网膜的空间感知功能，成功实现图案识别（如字母“Z”的光学识别，图5）。该研究提出了一种集低表面能调控、光图案化兼容性与机械适应性于一体的氟化聚合物模板系统，突破了传统OSC图案化技术在分辨率、溶剂抗性和集成度方面的限制。该技术不仅适用于多种有机半导体材料体系，还可推广至柔性衬底，为高密度、低串扰、可溶液加工的光电集成系统提供了一条通用、可扩展的制备途径。
「BioMed科技」关注生物医药×化学材料交叉前沿研究进展！交流、合作，请添加杨主编微信！
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05029来源：课题组供稿声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
