具有精確控制取向的有機半導體單晶陣列圖案在高性能光電器件的制備與集成中具有重要意義。有機半導體單晶具有固有的長程有序、無晶界和低缺陷密度等特點，廣泛應用于光電器件構建。由于有機單晶中載流子的輸運具有各向異性，可控取向有利于實現(xiàn)最佳的電荷輸運性能，同時取向一致的單晶陣列有利于減少器件集成串擾與性能差異。然而，有機半導體晶體的成核和生長過程復雜，實現(xiàn)取向一致的有機半導體單晶陣列的圖案化制備頗具挑戰(zhàn)性。
近日，中國科學院化學研究所綠色印刷院重點實驗室宋延林課題組提出了利用微觀彎液面形變及沉積操控實現(xiàn)單一取向晶體薄膜可設計圖案化陣列的直寫打印新方法。該方法利用微米尺度彎液面與晶核尺寸匹配，實現(xiàn)了對有機晶體成核與生長過程的精準調控。研究通過結合異質浸潤性基材的圖案化設計及墨水粘附力特性調控，誘導微米彎液面流體三相線（Three-phase Contact Line，TCL）前端微區(qū)形變，精準調控分子的成核位置與生長方向，實現(xiàn)了有機功能分子的區(qū)域選擇與取向純化沉積，可在不同基材上印刷制備可控取向的有機半導體晶體陣列。研究表明，彎液面TCL形變與流體濃度不對稱分布是取向純化的關鍵因素。通過與雙取向晶體薄膜的對比研究發(fā)現(xiàn)，單一取向晶體薄膜的遷移率顯著提高，并表現(xiàn)出電荷傳輸的各向異性。基于此，研究制備了有機偏振光電探測器件，在線性偏振光的照射下表現(xiàn)出偏振響應特性，器件光電流的二向色性比為1.42。該微觀彎液面操控策略具有很好的普適性，可實現(xiàn)單一取向晶體陣列的大面積圖案化印刷制備，為構筑新型多功能光電器件陣列提供了新的方法和思路。
相關研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、北京分子科學國家研究中心的支持。
圖1.單一取向有機半導體單晶圖案的直寫打印新方法
