大工王大志教授团队《Nat. Commun.》：大面积喷印制造亚微米有机半导体及高性能有机场效应晶体管

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有机场效应晶体管（OFETs）是有机电路的基本构筑单元，是实现下一代变革性柔性显示技术、新型光电子集成系统、大规模互补集成电路的器件基元。有机半导体的有序分子堆积可以使有机共轭分子沿电极方向最大程度的重叠，从而提高载流子的传输效率，提升有机场效应晶体管器件性能。但是，如何实现有机半导体的高择优取向加工以及有机场效应晶体管的高质量、高效率制造仍然面临挑战。

图1电流体喷印大面积有机半导体微纳结构

近期，大连理工大学王大志教授团队与中科院化学所刘云圻院士、郭云龙教授团队合作，发展出鞘液聚焦电流体喷印技术，实现了PDVT-10、N2200、IDT-BT、F8BT等系列有机聚合物半导体微纳阵列结构的大面积高效率喷印制造，获得了有机聚合物半导体线性阵列、蜿蜒阵列等结构，特征尺寸达90nm，并在PDMS、PI等柔性衬底上实现了稳定、可靠制造（图1）。这项技术为加快柔性电子、有机器件的应用进程开辟了创新可行加工途径。

图2 2D-GIWAXS表征结果

采用二维掠入式宽角X 射线衍射（2D-GIWAXS），对比分析了旋涂薄膜和喷印亚微米线的分子结构，结果表明：通过传统旋涂方式制备的PDVT-10薄膜在面内和面外方向均存在（010）衍射峰，说明其内部为face-on和edge-on的两种排列方式并存的混合堆积模式；采用鞘液聚焦电流体喷印的亚微米线仅在q_y = 1.7~ 1.8 Å处有一个（010）衍射峰，可以推断出亚微米线内部主要是以edge-on模式排列，且排列方向和亚微米线长轴平行，这种排列方式可以使聚合物分子更垂直地站立于基底上，减少载流子俘获进而大幅提升有机场效应晶体管的迁移率，面内和面外的一维积分结果同样证实了以上结论（图2）。电学测试结果表明：基于喷印制造的有机半导体亚微米线场效应管，在空气中表现出1.9 cm² V^-1 s^-1平均迁移率，是相同条件下薄膜有机场效应管的5倍。此外，通过控制喷印亚微米线的数量，可以实现器件开态电流峰值的按需调控（图3）。这项工作展示了鞘液聚焦电流体喷印技术在有机半导体材料及其高端器件的高性能制造能力和广阔应用前景。

图3亚微米线场效应晶体管性能测试

该工作以“Large area polymer semiconductor sub-microwire arrays by coaxial focused electrohydrodynamic jet printing for high-performance OFETs”为题发表在《Nature Communications》上（Nat Commun, 2022, 13 (1), 6264）。文章第一作者及通信作者是大连理工大学机械工程学院王大志教授，第二作者为路良坤博士生。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34015-z

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