有机半导体器件的新道路——水辅助转移印刷技术

研究背景

有机半导体具有重量轻、柔性好、光电特性可调性强、易于制造等优点，因此受到广泛关注。与昂贵而复杂的真空技术相比，包括旋涂、喷墨打印和叶片镀膜在内的固溶工艺是大规模生产有机光电器件的流行技术，前景广阔。然而，由于有机半导体相邻层之间的内在混溶性，通过溶液工艺构建明确的界面和几何图案面临着挑战。例如，用于沉积上层的溶液会溶解下层。为了解决这个问题,通常会采用复杂的溶剂工程、聚合物添加剂或后处理方法。然而，这些方法可能会降低器件的性能。转移印刷是在母基底上生长薄膜，然后将其转移到目标于基底上，它已成为一种可行的方法可以克服使用溶液工艺开发多层有机半导体器件所面临的挑战。基于直接接触机制的转移印刷通常使用低模量和低表面能的弹性印章，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在过去的几十年中，这种技术在柔性或曲面基底上组装无机半导体多维结构方面取得的重大进展。

研究成果

由于表面附着力不匹配，小分子有机半导体的转移印刷常常面临挑战。在此，武汉大学谢国华、杨楚罗&林乾乾教授等人开发了一种牺牲层辅助转移印刷技术，用于沉积小分子薄膜。将高沸点乙二醇 (EG)掺入PEDOT:PSS水溶液中作为牺牲层，操纵薄膜中的残余水分，使氯苯溶液自发扩散并形成均匀的薄膜。残留水保证了薄膜从印章上脱落，从而可以将其转移到各种基底和播种层上。作为概念验证，利用可回收的 EG-PEDOT:PSS 电极和小分子活性层，在环境空气中通过转移印花连续制造出了横向导电有机光电探测器。所制成的器件具有 711 的高开关比和 0.5 ms的快速响应时间。且该聚合物电极和异质结表现出独特的可修复性和可回收性。相关研究以“Flexible all-organic photodetectors via universal water-assisted transfer printing”为题发表在The Innovation期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of the transfer printing procedures.

Figure 2. Transfer printing of the small molecular emitters on the different substrates.

Figure 3. Cross-sectional images of film stacks and the evolution of the residual water in the sacrificial layer.

Figure 4. Transfer printing of all-organic photodetectors and the performances.

Figure 5. Performance of the laterally conductive flexible organic photodetectors.

总结与展望

作者展示了一种基于牺牲层的独特而通用的转印技术，该技术可将普通有机材料从富含水的EG-PEDOT:PSS 表面轻松转印到任意基底或播种层上。通过在 PEDOT:PSS 水溶液中加入高沸点 EG 添加剂，可有效保护薄膜中的水分不被快速蒸发。此外，残留的水还大大减少了范德华相互作用，从而确保了疏水性芳香薄膜的完全分层。作为概念验证，作者制作了全转移印迹横向导电OPD其中有两个 EG-PEDOT:PSS 电极通道内有全小分子光活性层。这些器件没有任何封装，在 10 V电压下的暗电流低至 1.43-10A，开关比高达 711，响应时间短至 0.5ms。由于器件易于在任意基底上制造，在普通基底(如 PET 甚至无处不在的胶带 (40微米厚))上制造的柔性 OPD 显示出与刚性器件相似的器件性能。此外，基于单通道的柔性器件在损坏后可回收和修复，甚至可分割成子器件。这种转移印刷技术将为传感、成像和生物应用领域铺平一条更可靠、更经济的有机器件之路。

文献链接

Flexible all-organic photodetectors via universal water-assisted transfer printing

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100460

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