The Innovation | 转移印刷全有机柔性光电探测器

导 读

转移印刷类似生活中常见的盖章过程，但其蕴含着极复杂的物理过程。转移印刷可像搭积木一样在任意基底上构筑多种形状和层数的有机薄膜，并避免上下界面互溶问题。本研究在母版上预制含痕量水的牺牲层，大幅降低界面粘附能，从而通过转移印刷实现有机小分子图案化生长；结合激光直写技术，全程仅需几分钟即可制备横向导电沟道宽度达100 μm的有机光电探测器，其具有可修复、可裁切性能。

图1 图文摘要

转移印刷可以像盖章一样，使薄膜从一个衬底转移到另一个衬底。在过去的20年间，转移印刷技术在无机半导体领域中的成功应用，为实现在柔性或弯曲基底上制备多维结构提供了便利。近年来，该技术在有机发光二极管以及有机光伏领域中崭露头角，可以规避常规多层旋涂、刮涂、喷墨打印等湿法工艺中存在的上下层界面互溶问题。但是，界面粘附能失配问题使有机小分子薄膜的转移印刷难以实现，限制了器件结构的多样化和高品质化。

图2 转移印刷流程示意图。（A）在玻璃上旋涂EG-PEDOT:PSS的水溶液；（B）氯苯溶液在基于水的EG-PEDOT:PSS层上自发铺展；（C）旋涂有机溶液形成均匀的功能层薄膜；（D）利用PDMS印章将功能层从牺牲层上剥离；（E）将功能层印刷于目标衬底上。

为了解决上述难题，武汉大学谢国华、林乾乾、闵杰及深圳大学杨楚罗教授研究团队，提出了一种牺牲层辅助转移印刷有机小分子薄膜的策略，将高沸点的乙二醇（EG）掺入到水溶性导电聚合物PEDOT:PSS中作为牺牲层并延缓水分子的挥发（图2A）。当非极性有机溶液滴落在EG-PEDOT:PSS牺牲层上时，可在表面自发形成液膜，使有机分子液滴自由铺展并均匀成膜（图2B和C）。实验表明，残留在牺牲层中的水分子极大降低了牺牲层和活性层之间的断裂能，使聚二甲基硅氧烷（PDMS）软弹性印章与小分子层之间的断裂能远大于小分子与牺牲层之间的断裂能（图2D），从而保证薄膜被PDMS印章轻易地揭起，并可控地转移印刷至多种平面、曲面和柔性基底上（图2E和3A-E），为在任意基底上连续生长多层有机薄膜（图3F）提供了一种普适性的方法。

图3 红绿蓝三色的条纹状小分子薄膜转移印刷到多种基底上及其光致发光照片（365 nm激发）：（A）塑料瓶，（B）易拉罐，（C）玻璃瓶，（D）塑料包装和（E）纸板；（F）转移印刷蓝色单层、蓝/绿双层和红/绿/蓝三层小分子薄膜的光致发光光谱及实物照片（插图）。比例尺：1 cm。

该转移印刷技术极大方便了横向光电导型半导体器件的制备和开发，例如可实现全转移印刷的全有机光电探测器（图4）。在器件制备过程中，首先将透明聚合物电极EG-PEDOT:PSS转移印刷至目标衬底上，随后采用手术刀或者激光直写技术分别定义导电沟道和叉指电极。不到五分钟的时间，该器件便能在大气氛围中通过两步转移印刷完成制备。更为重要的是，器件具备超快的响应速度，上升沿和下降沿时间仅有0.5和1.4 ms，优于已报道的类似体系横向光电导型探测器。该技术的优越性还体现在可在任意衬底上进行聚合物电极和活性层的转移印刷，所制备的超柔性横向电导光电探测器可以与人体组织完美贴敷，从而为柔性电子、生物电子器件加工提供了新的解决方案。不同于垂直型有机光电器件（常见厚度仅约100 nm）容易因短路或断路造成失效的问题，横向光电导型器件展现出高稳定性、可裁切、可修复、可重复利用等优点。

图4 横向光电导型器件制备流程及性能。（A）单沟道型和（B）叉指电极型光电探测器的制备流程图及实物照片；（C）聚合物电极EG-PEDOT:PSS和活性层的HOMO/LUMO能级图；（D）单沟道型和叉指电极型器件的暗电流和光电流信号；（E）被裁成两半后的器件（插图）及其光电流信号。

总结与展望

基于牺牲层的转移印刷技术为调控界面粘附能和断裂能提供了简单可行的解决方案，使得有机小分子薄膜可经PDMS软章剥离并印刷至任意基底上。其中，含水牺牲层的引入可以自发形成一副含水“面膜”，保证了疏水芳香基薄膜的完全分层和剥离。横向光电导型器件具有强鲁棒性，可使其像“孙悟空”一样实现分身。多层有机薄膜的连续转移印刷，为新型柔性光电器件的开发提供了新策略。

责任编辑

薛晶晶   浙江大学

范   兴   重庆大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00088-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第四期以Article发表的“Flexible all-organic photodetectors via universal water-assisted transfer printing” (投稿: 2023-04-03；接收: 2023-06-09；在线刊出: 2023-06-15)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100460

引用格式：Tang Y., Li R., Sun R., et al. (2023). Flexible all-organic photodetectors via universal water-assisted transfer printing. The Innovation. 4(4),100460.

作者简介

谢国华，厦门大学柔性电子（未来技术）研究院教授，英国皇家化学会会士，德国洪堡学者，The Innovation青年编委。毕业于吉林大学电子科学与工程学院，曾在德国德累斯顿工业大学应用光物理研究所和英国圣安德鲁斯大学物理与天文系分别从事OLED微显示和医用研究，后被引进武汉大学化学与分子科学学院。主要从事有机光电材料和器件交叉学科研究，先后主持国家自然科学基金面上项目3项，承担4项国家交流合作项目，累计发表SCI论文230余篇。

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球54个国家；已被123个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录，2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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