具有精确控制取向的有机半导体单晶阵列图案在高性能光电器件的制备与集成中具有重要意义。有机半导体单晶由于其固有的长程有序、无晶界和低缺陷密度等特点，已被广泛应用于光电器件构建。由于有机单晶中载流子的输运具有各向异性，可控取向有利于实现最佳的电荷输运性能，同时取向一致的单晶阵列有利于减少器件集成串扰与性能差异。然而，有机半导体晶体的成核和生长过程复杂，实现取向一致的有机半导体单晶阵列的图案化制备仍然具有极大的挑战性。 　

　　在科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心的支持下，化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组近期提出了利用微观弯液面形变及沉积操控实现单一取向晶体薄膜可设计图案化阵列的直写打印新方法。该方法利用微米尺度弯液面与晶核尺寸匹配，实现了对有机晶体成核与生长过程的精准调控。通过结合异质浸润性基材的图案化设计及墨水粘附力特性调控，诱导微米弯液面流体三相线（Three-phase Contact Line, TCL）前端微区形变，精准调控分子的成核位置与生长方向，实现了有机功能分子的区域选择与取向纯化沉积，可以在不同基材上印刷制备可控取向的有机半导体晶体阵列。研究结果表明，弯液面TCL形变以及流体浓度不对称分布是取向纯化的关键因素。通过与双取向晶体薄膜的对比研究发现, 单一取向晶体薄膜的迁移率显著提高，并表现出电荷传输的各向异性。基于此他们制备了有机偏振光电探测器件，在线性偏振光的照射下表现出偏振响应特性，器件光电流的二向色性比为1.42。该微观弯液面操控策略具有很好的普适性，可实现单一取向晶体阵列的大面积图案化印刷制备，为构筑新型多功能光电器件阵列提供了新方法和思路。该研究成果近日发表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma. 202200928）上，通讯作者是乔雅丽研究员和宋延林研究员，第一作者是博士生陈胜楠。 

图1.单一取向有机半导体单晶图案的直写打印新方法

图2. 利用单一取向晶体薄膜阵列实现了有机场效应晶体管及偏振光电探测器的阵列化制备

 

绿色印刷院重点实验室

2022年3月25日