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中科院化學(xué)所宋延林、李會(huì)增團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.: 可編程表面能實(shí)現(xiàn)“一版多印” - 高效印刷制備光電器件
2025-03-11  來(lái)源：高分子科技

  功能材料的精準(zhǔn)印刷圖案化是柔性電子和顯示器件等制備過(guò)程中的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。在多功能層器件的印刷過(guò)程中，通常需要使用多個(gè)印版來(lái)實(shí)現(xiàn)不同材料/圖案的印刷，這不僅增加了印版制作成本和操作復(fù)雜性，還可能引起圖形對(duì)齊偏差。因此，如何通過(guò)減少多材料印刷所需的印版數(shù)量，簡(jiǎn)化工藝流程并提升制造效率，已成為推動(dòng)印刷技術(shù)向更高效率、更低成本方向發(fā)展的重要研究課題。


  近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋延林、李會(huì)增團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于可編程表面能的“一版多印”材料圖案化新策略，突破了傳統(tǒng)印刷功能器件對(duì)多印版的依賴。通過(guò)選擇性地調(diào)控印版的表面能分布，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了具有圖案化表面能的印版（patterned-surface energy stamp, PSES）。該印版能夠控制不同表面張力的墨水發(fā)生選擇性潤(rùn)濕，在印版表面形成不同的墨水圖案（圖1）。這樣，利用單個(gè)印版，即可將不同的材料墨水精確印刷形成多種功能圖案。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)僅用單一PSES成功實(shí)現(xiàn)了柔性發(fā)光器件（發(fā)光層/介電層/導(dǎo)電層）和高密度晶體管（源、漏電極/半導(dǎo)體層）陣列的印刷制備，充分驗(yàn)證了該策略在復(fù)雜功能器件集成制造中的普適性優(yōu)勢(shì)。


圖1.PSES的設(shè)計(jì)與印刷機(jī)制


  該團(tuán)隊(duì)首先建立了PSES制備條件-表面能分布-墨水浸潤(rùn)狀態(tài)之間的關(guān)系，為“一版多印”方法奠定了基礎(chǔ)（圖2）。為了展示PSES在液體圖案化操控方面的卓越能力，利用高速攝像機(jī)記錄了不同表面張力的墨滴撞擊PSES的動(dòng)態(tài)過(guò)程？梢钥闯，隨著液滴表面張力的增大，印版表面撞擊后形成的潤(rùn)濕圖案由“8”逐漸變?yōu)椤?/span>4”和“1”，證明不同墨水與印版表面存在差異化的動(dòng)態(tài)相互作用。同時(shí)，這種精確的液體操控能力也為發(fā)展新型微流控器件和化學(xué)檢測(cè)方法提供了新的可能性。


圖2.基于PSES的液滴操控能力


  為了展示“一版多印”方法在多材料印刷方面的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)制備了集成四種不同表面能圖案的印版。通過(guò)調(diào)控不同表面張力的墨水，利用單一印版通過(guò)多次套印的方式，將不同墨水圖案逐層疊加，成功印刷出多彩的圖案。對(duì)于更為復(fù)雜圖畫，團(tuán)隊(duì)還采用計(jì)算機(jī)對(duì)圖案的色彩分布進(jìn)行分析和處理，從而指導(dǎo)印版表面能圖案的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜圖案的精確印刷（圖3）。


圖3.基于PSES印刷的多彩復(fù)雜圖案


  最后，研究團(tuán)隊(duì)利用PSES成功印刷制備了包含多個(gè)功能層的柔性發(fā)光器件與場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列。柔性發(fā)光器件由發(fā)光層、介電層和導(dǎo)電層組成。通過(guò)單一印版對(duì)不同墨水的精確控制，能夠?qū)崿F(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的高精度印刷，制備的器件展示出優(yōu)異的發(fā)光性能和良好的機(jī)械穩(wěn)定性。場(chǎng)效應(yīng)晶體管印刷層包括源漏電極層、半導(dǎo)體層構(gòu)成。研究團(tuán)隊(duì)采用“一版多印”策略，利用單個(gè)PSES在8英寸硅片表面印刷集成了超過(guò)17,900個(gè)晶體管陣列，并表現(xiàn)出良好的電學(xué)性能與均一性（圖4），展示了該技術(shù)在大面積器件印刷制備方面的應(yīng)用前景。


圖4.基于PSES印刷的柔性發(fā)光器件和高密度晶體管陣列


  綜上所述，該工作發(fā)展了基于表面能集成與功能墨滴調(diào)控的“一版多印”高效印刷策略，實(shí)現(xiàn)了柔性電子器件和高密度晶體管陣列的單印版構(gòu)筑，為印刷技術(shù)的創(chuàng)新和功能材料的集成提供了新的思路。研究?jī)?nèi)容以“Printing Multi-Layered Functional Devices Using One Stamp with Programmable Surface Energy”為題發(fā)表在Advanced Materials上。該工作的第一作者是中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所碩士研究生柳泉和博士后李安，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究員和李會(huì)增副研究員。


  該工作是宋延林/李會(huì)增團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)控制墨滴行為的最新進(jìn)展之一。通過(guò)基底非均質(zhì)表面能設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)揭示了圖案化浸潤(rùn)性對(duì)打印墨滴動(dòng)態(tài)行為的系統(tǒng)調(diào)控規(guī)律，取得了系列研究成果，包括液滴旋轉(zhuǎn)回彈（Nat. Commun., 2019, 10, 950）、打印墨滴自發(fā)切割圖案化（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10535）、液滴復(fù)雜行為操縱（Sci. Adv., 2020, 6, eaay5808）、瑞利失穩(wěn)效應(yīng)抑制（Nat. Commun., 2021, 12, 6899）、三相線動(dòng)態(tài)控制（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2022, 119, e2201665119）、液滴自發(fā)旋轉(zhuǎn)行為調(diào)控（Nat. Commun., 2023, 14, 2646）、液滴動(dòng)能-基底表面能轉(zhuǎn)化(Nat Commun., 2024, 15, 4225)等。


  全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413819?af=R

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