注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

半导体工业的快速发展将人们带进了智能生活时代，然而半导体制造业目前存在着高能耗、高污染、高成本等一系列弊端。发展基于印刷工艺的打印电子学，有望在未来逐步解决这些问题，实现电子器件的绿色、低成本打印制造以及大面积、柔性、可拉伸电子等新颖功能。近日，天津大学的胡文平（点击查看介绍）、任晓辰（点击查看介绍）团队通过全印刷的方法制备了有机半导体单晶的阵列，这是实现印刷功能电路的关键一步。

近年来，以有机半导体材料为主体的有机电子学获得了快速发展和学界广泛的关注，有机电子器件非常适合于大面积、柔性电路的应用场合并且可以实现以印刷方法为主的溶液法加工，大幅降低制造成本。这其中为充分发挥有机电子器件的核心优势，如何摒弃传统半导体工业以光刻为主的制造方法，实现低能耗、低成本的印刷制造有机电子器件和电路，并同时保持器件的高性能，是重点需要突破的方向。场效应晶体管作为集成电路的基本构成单元，发展印刷制造有机场效应晶体管（Organic field-effect transistor, OFET）及其阵列电路，可满足多种重要的应用需求。例如作为新型显示元件的背板驱动单元，构建数字逻辑电路，实现逻辑运算、射频识别等功能应用，为上述应用行业带来变革性的发展。印刷OFET器件已有相关报道，但是几乎所有工作中，器件中最重要的有机半导体层的材料形态为非晶态或者多晶态。作为载流子传输的有效通道，有机半导体的材料形态直接决定了器件的电学性能。对有机小分子半导体而言，最理想的材料形式为单晶态的半导体层，规则排列的分子保证了高效率的载流子传输，杜绝了晶界和其他缺陷的影响，而多晶甚至非晶态的薄膜会使得器件性能大幅度降低。同时，在构筑器件阵列时，不同器件之间的性能差异需要尽量小，保持高度的性能一致性，理想状态是采取有机单晶阵列来构筑器件和电路，这样每一个器件单元都具有相同的晶体取向、厚度和晶体质量。因此发展单晶态有机薄膜阵列的印刷工艺方法对OFET走向应用具有重要意义。

天津大学胡文平教授、任晓辰博士团队在印刷有机单晶器件电路方面取得了重要进展，利用溶液剪切法制备大面积有机小分子二维单晶并辅助以丝网印刷图案化保护层和湿法刻蚀，成功实现了全溶液法、无需真空条件的厘米级大面积有机二维单晶阵列的制备，并进一步以此为基础构筑了OFET器件阵列和反向器等逻辑电路，获得了优异的器件性能。该方法的核心分为两步，第一步采用溶液剪切法获得C₈-BTBT、C₆-DBTDT等有机小分子的厘米级别的单晶态薄膜，并以此为基础构筑单晶阵列。第二步采用丝网印刷的方法在半导体表面印刷PVA水溶性保护层，这一步难点在于大部分有机小分子材料表面为疏水性，添加PVA以便改善保护层的浸润效果，提高印刷质量。接下来利用湿法刻蚀去除未覆盖的半导体部分，最后洗掉水溶性保护层，就得到了图案化的有机单晶阵列。

此方法的优点是所有阵列图案来自于同一片晶体，具有高度一致的晶体质量和取向，因此在偏光照片中可以看到所有图案具有一致的随偏光产生的明暗变化，证明晶体具有统一的取向性。相同的晶体质量在构筑完整器件后保证了器件阵列的性能均一性，并且水溶剂体系对有机半导体足够安全。作为应用展示，采用此方法构筑的包含四个OFET的反向器电路展示出了优异的性能，为构建更复杂逻辑电路打好了基础。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上。文章的第一作者为天津大学段树铭博士、汪涛硕士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Solution‐Processed Centimeter‐Scale Highly Aligned Organic Crystalline Arrays for High‐Performance Organic Field‐Effect Transistors

Shuming Duan, Tao Wang, Bowen Geng, Xiong Gao, Chenguang Li, Jing Zhang, Yue Xi, Xiaotao Zhang, Xiaochen Ren, Wenping Hu

Adv. Mater., 2020, 32, 1908388, DOI: 10.1002/adma.201908388

胡文平研究员简介

胡文平，天津大学教授，副校长，天津市分子光电科学重点实验室主任。中国科学院“百人计划”入选者、教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者。胡文平是国际上从事有机场效应晶体管研究具有重要影响的科学家之一。他从1996年开始从事有机薄膜场效应晶体管的研究，是我国最早从事有机场效应晶体管研究的科学家之一。他在高迁移率有机半导体材料、有机半导体晶体材料和有机场效应器件物理方面开展了卓有成效的研究。胡文平是国际上高迁移率有机半导体、有机半导体晶体、有机场效应晶体管领域的领军人物之一，发表SCI论文500余篇，包括Nature及其子刊9篇、J. Am. Chem. Soc. 25篇、Angew. Chem. Int. Ed. 22篇、Adv. Mater. 88篇；被SCI他引26,000余次（H-因子为80），其“有机场效应晶体管基本物理化学问题”研究于2016年度获国家自然科学二等奖（第一获奖人）。编有《有机场效应晶体管》（中国科学出版社）和《Organic Optoelectronics》 (德国Wiley 出版社)等专著。先后担任Polym. Chem.副主编, Chemistry: An Asian Journal, Adv. Electron. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Research, Science China Materials等期刊编委。作为共同主席组织欧洲材料学会年会等大型会议，应邀做戈登会议等大会/邀请报告70余次。获授权发明专利17项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26829

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们致力于实现全印刷的方法构建有机晶体管器件和阵列电路，同时为保证器件性能，采用小分子单晶态的材料形式，就需要将印刷工艺和实现单晶生长相结合。探索如何通过全印刷方法构建单晶阵列变成了课题的目标。在实现过程中，也受到了光刻工艺的启发，采用先生长大面积晶体，再进行图案化的方法，保证了单晶阵列的一致性，为后面复杂电路的功能实现打好基础。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何在疏水的半导体表面印刷水溶性的保护层图案。为防止有机溶剂对半导体材料的破坏，水是唯一安全的溶剂，但是大部分有机材料表面具有疏水的性质，水溶液的浸润性很差，直接影响印刷质量，我们通过添加非极性表面活性剂PVA并通过调节浓度很好的改善了浸润性，实现了良好的印刷效果。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少电子器件方面的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和材料专业，因此在电子器件方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：有机单晶阵列是构筑复杂有机电路的基础，我们的工作展示了反向器等简单逻辑门电路的应用，目前更复杂、包含OFET数量更多的电路研究工作正在展开。相信未来可以通过我们的方法实现大面积有机柔性电路的印刷制造，降低器件成本，让有机柔性电路实现普及。