全印刷薄膜晶体管与自修复微胶囊涂层技术解析

### 全印刷薄膜晶体管与自修复微胶囊涂层技术解析 在当今科技飞速发展的时代，电子技术领域不断涌现出令人瞩目的创新成果。全印刷薄膜晶体管（TFT）和自修复微胶囊涂层技术便是其中的典型代表，它们在各自的领域展现出了巨大的应用潜力和发展前景。 #### 全印刷薄膜晶体管的材料与制备 全印刷薄膜晶体管的制备涉及多种材料和先进的印刷技术。通过使用一维银纳米颗粒（1D Ag NPs）电极墨水和二维六方氮化硼（2D h - BN）介电层墨水，可以构建出全印刷的1D - 2D薄膜晶体管。这种制备过程可以在聚酰亚胺衬底上进行，每个组件都能通过气溶胶喷射印刷沉积。该印刷工艺还能在纸张等柔性基板上实施，为柔性电子设备的全原位印刷方法开辟了新方向。 - **石墨烯材料**：作为二维纳米材料的代表，石墨烯具有高稳定性和导电性。由石墨烯制备的导电墨水与喷墨印刷方法兼容，广泛应用于柔性印刷电子领域。石墨烯墨水大致可分为两类：一类是将制备好的石墨烯与其他溶剂添加剂混合，直接配制而成；另一类是使用石墨烯前驱体（主要是氧化石墨烯）制成墨水，印刷后再通过各种手段恢复石墨烯的导电性，最终得到石墨烯墨水的印刷产品。例如，Cho等人制备的还原氧化石墨烯（RGO）/聚乙烯醇（PVA）复合材料可作为薄膜晶体管的电极材料，PVA的存在能抑制石墨片的聚集，提高RGO在溶液中的分散性，有效改善喷墨印刷的稳定性和可重复性。经过五次喷墨印刷后，RGO/PVA复合薄膜的透光率可达83%。Marks等人将石墨烯用作铟镓锌氧化物（IGZO）TFT的印刷源/漏电极材料，其迁移率超过6 cm²V⁻¹S⁻¹，所得器件在环境老化方面具有良好的稳定性，对热应力也有出色的弹性。 - **有机半导体材料**：早在20世纪70年代，有机半导体材料就受到了科学家的广泛关注。如今，由于其多样的化学结构以及优异的光、电、热等性能，已在众多领域得到广泛应用。有机半导体材料的网状或线性分子结构使其具有高拉伸性和稳定性，同时还具有来源广泛、柔韧性好等特点，这些都是TFT等柔性电子产品的关键优势。 - **小分子有机半导体材料**：主要包括并五苯、2,7 - 二辛基[1]苯并噻吩并[3,2 - b][1]苯并噻吩（C8 - BTBT）、膦和红荧烯等。其中，最常用的材料是并五苯和C8 - BTBT。Anthony等人报道了在C6和C13位置被硅炔基取代的6,13 - 双（三异丙基硅乙炔基）并五苯（TIPS - 并五苯），大大提高了其在芳香族溶剂中的溶解度。Wang等人证明了喷墨印刷可以控制TIPS - 并五苯的晶体生长，表面改性的Au具有比绝缘材料更高的分散表面能，能够实现Au诱导的TIPS - 并五苯晶体取向，从而获得最佳的均匀性或更高的电性能，有利于获得高性能、表面形态均匀的有机薄膜晶体管（OTFT）。Minari等人提出了一种基于π - 结金纳米粒子墨水的高分辨率印刷技术，可在室温下印刷间隔仅为1μm的窄金线。此外，他们还以聚二甲苯为OTFT的半导体层材料印刷了C8 - BTBT，并制备出迁移率高达3.5 cm²V⁻¹s⁻¹的OTFT器件。这种室温印刷策略在无光刻、大面积和高分辨率器件领域具有广阔的应用前景。 - **聚合物半导体材料**：由于其在喷墨印刷溶剂中的良好溶解性以及低温加工性能，也被认为是印刷OTFT的有前途的候选材料。聚（3 - 己基噻吩）（P3HT）与印刷工艺兼容，还具有自组装形成多晶结构的特性，是最受欢迎的聚合物半导体之一。Lai等人分别通过喷墨印刷或旋涂P3HT制备了OTFT的半导体层，并全面比较了所得两种薄膜的形态。结果表明，旋涂P3HT薄膜的表面粗糙度（Ra = 0.9 nm）小于喷墨印刷P3HT薄膜（Ra = 2.16 nm）。虽然喷墨印刷的P3HT薄膜表面粗糙，但性能与旋涂制备的OTFT器件相当，迁移率分别为0.8 × 10⁻³ cm²V⁻¹s⁻¹和1 × 10⁻³ cm²V⁻¹s⁻¹。 - **供体 - 受体（D - A）聚合物半导体**：作为一类新兴的导电聚合物，已开始应用于印刷电子的沟道有源层。与聚噻吩体系不同，供体和受体单元的多样性赋予了D - A共轭聚合物更高的迁移率和可调节的最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占据分子轨道（LUMO）。Yang等人开发了一系列D - A共轭聚合物聚（苯并咪唑苯并菲咯啉）（BBL）作为n型有机半导体材料，掺杂聚乙烯亚胺（PEI）后，制备出以乙醇为溶剂的n型导电墨水。当PEI含量达到50%时，n型聚合物薄膜的电导率高达8 S cm⁻¹，而纯BBL薄膜的电导率低至10⁻⁵ S cm⁻¹。这种n型聚合物墨水通过简单的喷涂方法制备OTFT的有源层，具有优异的热稳定性和空气稳定性，为实现大面积、高通量电子设备带来了希望。 目前，喷墨印刷TIPS - 并五苯、C8 - BTBT、P3HT等有机半导体材料已取得了优异的成果，显示了上述材料的优越性以及OTFT未来实际应用的可能性。然而，继续提高有机半导体材料的性能并开发新的优质材料仍是未来研究的重要挑战。 #### 全印刷薄膜晶体管在功能器件中的应用 - **柔性显示**：随着智能时代的到来，人们对显示器的要求越来越高，柔性显示技术的突破已成为行业创新的关键。柔性显示器具有重量轻、可折叠、便于携带等优点，柔性TFT作为柔性显示器的关键器件成为了研究热点。2017年，华南理工大学研究团队与新视界光电科技有限公司联合开发了中国首款2.2英寸高像素柔性有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示器。他们进一步优化了