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美國與中國科學家研發出一種溶液塗佈技術，能製作出高品質大面積的單晶有機半導體薄膜。此方法又稱為溶液增強結晶工程 (fluid-enhanced crystal engineering, FLUENCE)，製成的薄膜電晶體具有破紀錄的載子遷移率，適合應用於高效、能低耗損且價格低廉的印刷電子電路。
有機半導體溶液塗佈法非常適合用來製作大面積可撓性電子材料，但卻很難製作出排列整齊的單晶薄膜，這點嚴重影響材料的電子性質，因為電荷載子在材料中的傳輸與晶體方向性(crystal orientation)有關。
此研究由美國史丹佛(Stanford)大學的Zhenan Bao及SLAC國家加速器實驗室的Stefan Mannsfeld所領軍，成員還包含中國南京大學的研究人員。他們研發出的新溶液塗佈法能製作出寬數厘米、長數公分的高品質單晶有機半導體薄膜。團隊成員Ying Diao表示，FLUENCE的核心技術在於能控制有機半導體溶液的流動，相形之下，在一般快速印製過程中，溶液經常無法均勻分佈，因而在半導性晶體中形成結構缺陷。
FLUENCE能從兩個不同的角度解決此問題：先利用具有微結構的印刷刮刀來均勻混合溶液；再者，研究人員在基板上製作特殊設計的化學圖案，此步驟能控制晶體成長方向，使其不再朝各方向隨機結晶。這兩種措施的結合成就了高品質、大面積且排列整齊的單晶薄膜。
為了證明此技術可行，研究人員利用FLUENCE製作有機半導體材料TIPS-pentacene薄膜。實驗數據顯示其載子遷移率高達11 cm2/Vs，打破了TIPS-pentacene材料的紀錄。Diao進一步表示，FLUENCE所使用的概念能輕易地擴大規模並應用於商業印刷技術上。由於此方法大幅提升了有機半導體薄膜的結構品質以及電性效能，因此適合應用於高品質、低耗能且價格便宜的有機電子學領域上。
該研究團隊希望此實驗結果能有助於提升高品質大面積有機半導體的製作，他們同時計畫生產尺寸更大的薄膜材料，並藉此製造次微米元件。詳見Nature Materials｜doi:10.1038/nmat3650。 |