东北师范大学物理学院紫外光发射材料与技术教育部重点实验室的汤庆鑫教授、童艳红课题组提出了一种分离制备-干法转印迭合的策略，该策略与晶体管中的各种商业材料和先进制造技术完全兼容，并且能够集成多功能的组分构筑复杂的全有机电子器件。该策略基于分离制备的思想，而后通过干法剥离转印的手段，避免有机功能材料在全溶液制备过程中相互溶解、界面污染以及与先进的制备技术不兼容的问题。利用该策略构筑的全有机TFTs中观察到优异的机械稳定性、良好的操作、高精度的电极图案和出色的一致性。此外，基于此策略的全有机互补反相器的增益值能够达到11.2，在空气中30天内性能稳定。该工作提供了一种通用的、无需溶液的转移和层压策略，以制造高精度、全溶液处理、全有机器件，充分发挥有机材料在未来多层功能、商业化和工业化柔性电子产品中的巨大优势。该研究成果以题为“All-Solution-Processed, All-Organic Flexible Transistor and Circuit Based on Dry-Transfer Polymer Films”发表于Advanced Electronic Materials。
技术亮点：
Ø提出一种分离制备-干法转印迭合的策略，该策略与晶体管中的各种商业材料和先进制造技术完全兼容，并且能够集成多功能的组分构筑复杂的全有机电子器件; Ø避免有机功能材料在全溶液制备过程中相互溶解、界面污染以及与先进的制备技术不兼容的问题。 Ø利用该策略构筑的全有机TFTs中观察到优异的机械稳定性、良好的操作、高精度的电极图案和出色的一致性。
Ø基于此策略的全有机互补反相器的增益值能够达到11.2，在空气中30天内性能稳定。
图文分析：
设备设计和制造
a) 全有机 FET 的制备方案。i)制造可转移的 PPy 薄膜。ii) 对 PPy 栅极进行光刻。iii)将PDMS旋涂到图案化的PPy栅极上，得到嵌入电极。iv)剥离上述嵌入的PPy栅极电极并层压到另一个制备的SEBS层上（b.层压在SEBS层上的栅极的光学显微图像）。v)从 OTS-SiO2上剥离 PDMS/PPy/SEBS 并层压到另一个制备的半导体层上（c.层压在半导体层上的PDMS/PPy/SEBS的光学显微图像）。vi) 制造嵌入 PDMS 中的图案化 PPy 源极/漏极。vii)剥离嵌入 PDMS 中的 PPy 源极/漏极并翻转，与半导体/SEBS/PPy/PDMS 层层压在一起。viii）具有 BGTC 器件配置的全有机晶体管（d. 通道的光学显微图像）。
在层压和转移过程中没有形成皱纹、裂纹、气泡、滞留溶剂。这些结果表明，不同的界面在转移过程中可以很好地层压。与报道的转印技术相比，该方法为完全干法转印工艺，无需其他附加手段（如加热或溶剂）。PDMS既充当封装层，又充当支撑基板层，有利于提高器件的机械和环境稳定性。这种新颖的策略不仅使有机电子能够采用全解工艺制造，而且与有机电子学中所有基础材料和组件制造技术兼容，包括光刻图案化电极、小特征尺寸、多功能集成和材料的通用性。这种无溶液的传输和层压策略可以实现高精度柔性器件和电路。
全有机TFT电气性能
弯曲测试的所有有机TFT在100次循环后的空穴迁移率均具有良好的稳定性，波动小于5%。在整个弯曲循环中，电流开/关比超过104。关断电流和接通电流几乎保持不变，平均值分别为-3.34×10-11和-6.67×10-7A。此外，还测试了所有有机TFT在机械弯曲下的场效应性能，弯曲方向垂直于晶体管的沟道长度。电子性能在垂直方向上也呈现出类似的稳定趋势。全有机晶体管可以在空气中连续开关断开和导通4000次，稳定运行。在810和5410秒内，器件的电流和开/关比几乎没有变化。器件在循环后仍然显示出典型的传输曲线，表明采用层压工艺的策略可以制造出运行稳定的晶体管。全有机TFT具有操作稳定性，在机械弯曲和连续开关下保持稳定的电子性能，这对未来的可穿戴电子产品至关重要。
高精密制造
为了证明策略通用性，作者选择与上述器件（包括半导体、电介质和电极）相比不同的TFT功能层，如图3a所示。选择典型的商业有机材料聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）/SWCNT被选为电极。选择生物相容性PDMS作为电介质，这对未来的生物医学应用具有优势。对于半导体薄膜，选择茚二噻吩苯并噻二唑（IDT-BT）/70 wt.%SEBS作为沟道材料，如图3b所示。在大气中测试上述晶体管的电子性能，晶体管显示出典型的p型场效应特性。典型的传输和输出曲线如图3c所示。根据转移曲线计算，迁移率为0.43±0.032 cm2 V−1 s−1。同时，作为逻辑电路的关键部件，与SEBS共混的n型半导体聚合物 (N 2200) 也被用作图3d中的通道材料。晶体管显示出n型场效应特性，电子迁移率为0.052±0.015 cm2 V−1 s−1，如图3e所示。这些结果表明，由于无溶液转移和层压工艺，该策略可以兼容OTFT的各种有机功能层。
图案化电极
图4 a）分别在有机功能层上直接光刻图案化电极和单独制备图案化电极的示意图。b）光刻图案化电极的光学显微镜图像。c）不同通道的光学显微图像。d）通道的放大视图。e）沟道为10µm的全有机晶体管的传输曲线。
如图4a左侧所示，在有机功能层上直接光刻图案化电极的常见方法不可避免地会引入紫外光和其他溶剂（如水、光致抗蚀剂、显影剂和丙酮），从而损坏有机电子器件的其他功能层。在这里，该研究的单独制造方法实现了光刻图案化电极和未损坏的其他有机功能层（图4a右部分）。之后通过无溶液转移和层压策略将图案化电极和有机功能层结合在一起。这种方法可以将光刻技术集成到制造有机器件中，在所有有机电子产品中显示出巨大的潜力。图4b表明，通用策略可以制备各种电极图案，如鱼、鸟和牛。这些不同的电极图案可以满足特殊有机电子产品的需求。此外，光刻图案化电极的特征尺寸可以缩小到亚微米级，这是其他图案化技术极难实现的。图4c，d所示制造了各种光刻图案化电极的沟道长度，最短可达10µm。沟道长度为10µm的全有机晶体管的传输曲线如图4e所示。传输曲线显示了良好的场效应特性，迁移率为 0.069±0.0047cm2 V−1 S−1，电流开/关比（ION/IOFF）高于105
分离策略提供了一种将光刻技术结合到制造高精度有机器件中的方法，这对未来的复杂和微/纳米图案化器件非常重要。总之，该策略为制造所有有机和高精度晶体管提供了一种通用的方法，显示了其在未来有机柔性可穿戴电子产品中的强大潜在应用。
3D共形全有机互补逆变器
图5 a）半导体和层压膜转印全有机互补逆变器示意图。b）3D曲面上全有机互补反相器照片。c）电压传递曲线（插图为全有机互补逆变器的o示意图）和d）VDD=40V时全有机互补反相器的电压增益。e）全有机互补变频器的动态响应，VIN的逻辑'0'和逻辑'1'分别为10V和60V。f）全有机互补反相器增益与天数的依赖关系。
结论展望
该工作开发出一种通用的、无溶液的转移和层压策略，用于实现全溶液有机柔性TFT。该策略与晶体管中元件的所有材料和制造技术兼容。全有机柔性TFT在循环过程中表现出稳定的操作和机械灵活性。此外，由于独立的制造工艺，可以通过光刻技术制造长度为10µm的高精度全有机柔性TFT，这些器件显示出良好的电子性能，电流开/关比高于105 。更重要的是，无需解决方案的传输和层压策略在集成互补逆变器的不同典型晶体管方面表现出了出色的实用性。全有机逆变器在空气中显示出11.2的高增益值和30天的稳定性能。该工作为制造未来复杂、多层功能和低温加工的可穿戴全有机电子产品提供了一种有前景的策略。
文献来源
Guo S. L., Sun J., Wang X.,et al. All-Solution-Processed, All-Organic Flexible Transistor and Circuit Based on Dry-Transfer Polymer Films. Advanced Electronic Materials (2024).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400317
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