刚性模板纳米切割方法制备大面积聚合物半导体纳米结构及在有机电子器件加工中的应用

Polymeric semiconductor nanostructures can effectively eliminate the grain boundary, reduce the charge trap density, and greatly improve the device performance. A combination of nano structure and device fabrication can meet requirements of the miniaturization and integration of the device. Based on nanoimprint lithography, a new method for preparation large area separated polymeric semiconductor nanostructure was proposed in our project. From four aspects of polymeric semiconductor and thickness of film, shape and pattern size of rigid master, pressure\temperature and velocity in nanoscale cutting, viscous of polymer substrate, we analyses fracture mechanics of polymeric semiconductor film when comprises master into a polymer multilayer structure and established the nanoscale cutting model. The hybrid nanostructure, such as polymer/metal and polymer/polymer, also can be prepared by nanoscale cutting. This research will also analyze and discuss nanoscale cutting with the finite element methods for the preparation of highly oriented and stable polmer nanostructure. And the development of nanoscale cutting method is applied to preparation of high-performance organic electronic devices, suitable for the development of plastic devices in the future roll-curtain processing providing new ideas.

聚合物半导体纳米结构能够有效地消除晶界，减少电荷陷阱密度,极大地提高器件性能。同时将纳米结构与器件制备相结合，还可以满足对器件小型化和集成化的要求。本项目在纳米压印技术基础上提出了一种制备大面积分离的有机聚合物半导体纳米结构的新方法-纳米切割。从有机聚合物半导体材料种类和薄膜厚度、刚性模板的形状和尺寸、切割过程压力、温度和速度，以及聚合物基底流动性作用四个方面入手，研究有机聚合物半导体层的在刚性模板切割过程中的断裂力学过程，建立纳米切割理论模型。此方法还可以用于构筑了由多种材料组成的异质纳米结构，如聚合物/金属，聚合物/聚合物等多层纳米结构。同时本研究将利用有限元方法对纳米切割过程进行仿真模拟，找出影响纳米切割效果的主要因素，为实验过程优化提供理论指导。最后将发展的纳米切割方法应用于高性能有机光电器件的制备，为发展适宜于未来塑性器件卷帘式加工提供新思路。

本项目建立了一种利用机械力为驱动力的有机半导体微/纳米结构加工新方法—刚性模板微/纳米切割法。该方法不仅能够制备大面积有机半导体微/纳米结构，还能够实现对有机半导体微/纳米结构或微/纳米单晶结构的取向和定点排布的宏观调控，从而提高器件中载流子的传输，简化器件加工工艺。同时针对不同凝聚态结构的有机半导体材料，例如聚合物半导体薄膜、有机小分子半导体晶体等，提出了相对应的、适于其特点的切割加工过程和方法。.1. 利用刚性模板纳米切割方法制备大面积分离的有机聚合物半导体纳米结构，以多层聚合物结构作为样品，升高体系的温度，然后将带有纳米结构的刚性模板置于多层聚合物膜上并施加相对较大压力，刚性模板沿着图案边缘处切入多层膜，使上层聚合物半导体薄膜会发生断裂，形成聚合物半导体的分离纳米图案。运用该方法我们实现了快速制备大面积、低成本的分离有机聚合物半导体纳米结构，并将其应用于聚合物半导体纳米线晶体管器件加工。.2. 运用溶剂蒸汽辅助微/纳米切割方法制备高取向小分子有机半导体微/纳米单晶图案。该方法结合溶剂蒸汽退火和微/纳米切割方法，在溶剂蒸汽退火过程中使用带有图案的硅模板对晶体重结晶生长进行限制，从而制备大面积高取向的单晶阵列，并实现了对单晶或多晶取向和排布的宏观调控。.3. 高温熔融纳米切割方法制备大面积、高取向的有机小分子半导体单晶纳米图案。本方法是利用硅模板的纳米条纹图案直接切割有机小分子半导体熔融体，在毛细力和外加压力的驱动下，使有机小分子半导体熔融体进入模板与基底形成的沟槽内，随着温度的降低，有机小分子半导体在模板图案内沿着条纹方向受限重结晶，形成高取向的单晶纳米图案。