浸润性调控的有机分子微纳米图案组装和光电器件应用

The next-generation optoelectronic materials and devices is crucial for the development of the information technologies, energy techniques and bio-medicine. Compared to the conventional inorganic optoelectronic materials and devices, organic optoelectronic molecules possess unique advantages, including broadly tunable properties, low cost, suitable for large-area fabrication, applicable for flexible devices, thus inducing their highly potential applications for flexible displays, thin-film field-effect transistor arrays, wearable bio-sensors and so on. However, organic molecules is incompatible with the conventional inorganic integration technologies, such as photo lithography, electron-beam lithography and vapor deposition, thus inducing the difficulties on large-scale fabrication and application of high-precision and high-integration-density organic optoelectronic devices. In this project, we will develop the techniques on highly precise control the wettability of a micro-/nanostructured surface. Based on the research fundamentals on the bio-inspired wettability and wettability-mediated assembly of micro-nanostructures, we will further investigate the methods on tuning the wettability of a microstructured surfaces. The nucleation sites, crystallization positions and crystal orientations will be precisely controlled, which will promote the development of new techniques for the organic-material integration. It is anticipated that the investigation of this project will develop the integration technologies for organic optoelectronic materials as well as promote the practical applications of organic semiconductors.

新一代光电子材料和器件对信息技术、能源技术、生物医学等领域的发展至关重要。相比于传统的无机光电材料和器件，有机光电分子具有性能可调控范围广、价格低廉、适合加工大面积、可应用于柔性器件等优势，因此，是下一代柔性显示器件、薄膜场效应晶体管阵列、可穿戴生物传感器件等光电器件的理想材料。然而，由于有机分子不耐高温和溶剂，使其与传统的光刻、电子束刻蚀、气相沉积等无机半导体集成工艺不兼容，导致高精度、高集成密度的有机光电器件难以大规模制备和广泛应用。本项目拟通过精确控制表面浸润，依据本实验室在超浸润和浸润性调制的微纳米结构组装方向上的研究经验，进一步研究精确调控微纳米界面浸润性的方法，实现定点、定位、定向制备有机光电功能微纳米图案，从而开发新型的有机集成技术。本项目的研究将会有助于攻克有机光电材料集成的核心技术，并推动有机光电材料和器件的产业化应用。

新型光电材料，尤其是有机半导体材料，具有良好的柔性、多样化可设计的光电性质、易于进行高效低成本的溶液加工等优良特点，在信息、能源、生物医学等关乎国计民生的重大领域中都将发挥不可替代的作用，是未来柔性显示、柔性芯片、可穿戴医疗等领域中的理想材料。然而，相比于传统无机半导体材料，有机分子不耐高温、辐射和溶剂腐蚀的特点致使其难以与传统微纳集成工艺相兼容，从而限制了高精度、高集成度的有机光电器件的大规模广泛应用。目前已发展的有机材料溶液图案化技术受到“咖啡环效应”等的制约，易产生不可控的毛细液流，致其微纳液滴的退浸润过程不可控，溶液中的传质过程是无序的，导致难以制备高质量的单晶阵列，因此有机分子的微纳米图案化组装存在重大挑战。本项目中，申请人针对这一问题，引入了不对称浸润性的微结构界面，开发了有机分子的新型诱导组装技术，取得了一系列研究成果：（1）基于超浸润界面材料的制备和应用，发展了具有不对称浸润性的硅柱界面的制备方法；（2）基于原位观测手段和理论模拟，半定量地揭示了退浸润调控不同材料自组装的物理化学机理；（3）实现了基于有机光电功能材料的定位、定向的大面积图案化集成组装，制备得到了具有表面平滑、边缘规整、长程有序的大面积有机图案化微纳阵列；（4）基于有机阵列，构筑了多种高性能光电器件，验证了有机图案化微纳阵列优异的光电性能；（5）将组装技术与压力、拉力等力学设计结合，实现了三维尺寸连续可调的有机微纳结构组装，实现了高拉伸性、高迁移率的柔性逻辑电路阵列构筑，与分子设计相结合实现了圆偏振光和线偏振光的多功能光电检测。相关研究成果共发表高水平SCI论文29篇，其中包括Nat. Electron. 1篇，Nat. Commun. 3篇，Adv. Mater. 5篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇，Matter 1篇，Adv. Funct. Mater. 6篇等，并申请国内发明专利12项，其中已授权专利2项。