基于衬底表面能连续调制或梯度变化的小分子有机半导体的喷墨打印

Inkjet printed small molecule organic semiconductor is a promising technology in manufacturing flexible display electronics. Effective control of the molecular ordering as well as the film morphology is of critical importance to achieve high mobility electrical performance of the device. Currently, rearch on the thermally evaported small molecule organics have demonstrated the effectiveness of surface modification on the substrate in controlling film morphology and optimizing device performance. However,the responsible mechanism of the controlling is to be explored further.Especially, the extension of the research in a solution processing environment has been rarely reported. This research is based on surface modification of the substrate to realize continuous modulation of the surface energy and desired gradient pattern on the substrate prior to inkjet printing,thereby controls the motion of the semiconductor molecules in the liquid and their crystallization behavior on the substrate. This project systematically investigates the contribution from different sectional components of surface energy in affecting the molecule guiding behavior and the crystallization mode in inkjet printing; The research will clarify the exact assembling mechanism in a solution,and arrive at a conclusive description on the relationship between the substrate's surface energy and film morphology. In printing broad-area films,morphology deviation across the substrate induced by directional solute migration is likely to be solved with a properly designed gradient pattern of surface energy,and accordingly, high mobility organic semiconductor film with uniform thickness and morphology can be synthsized.

喷墨打印可溶性小分子有机半导体在柔性显示电子器件制造中具有广泛的应用前景。在喷墨打印工艺中，对分子排列和薄膜形貌的有效控制是获得高迁移率导电性能的关键。目前，关于热蒸镀小分子薄膜材料的研究表明衬底表面修饰是控制薄膜形貌和优化器件性能的有效方法，但是相关控制机理还需要深入研究，特别是该方法在溶液环境下的相关研究很少。本课题从衬底表面修饰出发，利用表面能连续可调或梯度变化的衬底表面环境，籍此控制半导体分子在液相中的运动及其在衬底上的生长模式。本课题将系统研究喷墨打印中衬底表面能的不同分量对有机小分子在衬底上的分子排列行为和晶体生长模式的影响，阐明小分子有机半导体在溶液环境下的生长机理，总结衬底表面能对薄膜形貌的作用规律；通过表面能梯度设计克服大面积打印薄膜过程中由于溶质分子的定向迁移所导致的形貌异变，制备出厚度均匀形貌可控的高迁移率有机半导体薄膜。

小分子有机半导体是制备高性能有机电子器件的重要材料，其性能与分子取向，薄膜的界面状态和形貌密切相关。有机材料可以采用喷墨打印等溶液法工艺制备器件，从而降低制造成本和减少污染排放，但是，与真空蒸镀制备工艺相比，溶液法工艺制备的器件性能明显较差。探索这种差距的机制性根源，寻找抑制或消除这一差距的技术方法，成为发展和应用喷墨打印等溶液法工艺过程中迫切需要解决的问题。针对上述问题，我们从打印衬底的表面修饰出发，通过复合表面处理在亲水的氧化硅衬底上实现了大范围可调的表面能，采用旋涂聚合物薄膜或组装含有苯基的硅烷获得表面疏水的打印衬底。研究发现打印在这些衬底上的TIPS并五苯单点薄膜的尺寸与表面能的色散分量呈正相关性，而单点薄膜的咖啡环的强弱则与表面能的极性相关。特别地在经过PETS处理的疏水衬底上咖啡环现象可以被完全消除。我们对喷墨打印工艺的多项参数进行了优化，成功制备了高性能的有机薄膜晶体管，其性能参数达到了类并五苯材料的最高水平，证明通过单一溶剂的墨水体系可以获得与真空蒸镀工艺相同的电学性能。在此基础上，我们进一步分析了溶液环境下TIPS并五苯的成核和薄膜生长方式，证明了通过形成纳米尺度岛状PETS修饰层，可以改变TIPS并五苯的成核方式，从常见的边缘成核转变为界面成核，从而实现了大面积连续薄膜的制备，同时证明了前面所述差距的机制性根源就是成核方式的不同。真空镀膜工艺中只有界面成核，而常规的溶液法工艺中主要是边缘成核。我们提供的消除这种差异的方法就是在打印衬底上形成非理想的单分子修饰层，即纳米尺度的表面能梯度变化。除此之外，我们进一步根据器件中不同材料的表面能差，研究了薄膜单方向取向生长的控制方法。最后，结合有关以量子点为代表的纳米材料喷墨打印技术的研究进展，探讨了一些共性的技术问题及其解决方案。