印刷制备晶态有机半导体薄膜和柔性电极

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印刷电子技术能够低成本、大规模地在各种载体上制造电子器件和集成电路,是未来柔性和可穿戴电子的关键技术,在科研和应用领域引起了极大的关注。印刷电子的关键是印刷柔性材料(包括导电层、半导体层和绝缘层),进而构筑各种功能器件和逻辑电路。然而,有机半导体层制备过程中常见的“咖啡环效应”阻碍了高度有序的晶态有机半导体薄膜的印刷制备;同时,现有的柔性电极存在粘附性低、生物相容性差等问题。这些挑战严重制约了印刷电子的发展。本论文针对这些挑战展开研究,成果如下:1.通过在混合溶剂体系中加入表面活性剂控制墨水挥发过程,克服了喷墨打印高度有序的晶态有机半导体活性层的主要障碍——“咖啡环效应”,并制备了高性能有机场效应晶体管(OFETs)。详细研究了溶剂种类、表面活性剂种类、表面活性剂浓度、有机半导体浓度等墨水参数在打印过程中对有机半导体小分子结晶特性的影响。发现特定的混合溶剂(高表面张力低沸点溶剂和低表面张力高沸点溶剂混合)和合适的表面活性剂是成功的关键。二者的协同作用可以更好地促进液滴表面由外向内的马拉格尼流动,平衡由内向外的毛细流动,从而抑制“咖啡环效应”,通过喷墨打印得到高度有序的晶态有机半导体薄膜。以经典的有机半导体2,7-[二辛基苯并噻吩并苯并噻吩](C8-BTBT)为例,成功制备了有机场效应晶体管,发现其最高迁移率达1.57 cm~2V-1s-1(平均迁移率0.65 cm~2V-1s-1)。该研究利用混合溶剂和表面活性剂的协同作用克服了喷墨打印中常见的“咖啡环效应”,提供了一种有效地通过喷墨打印制备高度有序的晶态有机半导体薄膜进而制备有机电子器件的新策略。2.利用丝网印刷在蚕丝蛋白膜上得到高粘附性柔性电极阵列,实现手臂肌电信号的可靠采集和识别,进而通过手势实现智能小车的实时控制。一般的商用电极通过凝胶贴附在皮肤上,长时间使用会因为汗液导致粘附性降低、移动脱附等问题,产生运动伪迹和噪声,不利于人体电生理信号的采集。而蚕丝蛋白具有良好的皮肤粘附性和生物相容性,是制备高粘附性柔性电极的潜在基底材料。详细研究了环境湿度、钙离子含量等条件对蚕丝蛋白粘附性的影响,进而通过丝网印刷在蚕丝蛋白基底上得到了柔性电极阵列,成功采集到了高信噪比的手臂表面肌电信号,并可作为人机接口实时控制智能小车的运动。丝网印刷是一种可低成本大规模制备的技术,该策略提供了一种规模化制备高粘附性柔性电极的方法,为柔性电子和可穿戴设备的制造提供了新思路。
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