图1：三步光刻大面积图案化有机薄膜及其超薄超柔性器件。
近日，电子科学与工程学院王炳昊研究员与国际团队合作提出垂直相分离膜的机制用于三步光刻商用半导体聚合物薄膜，实现代工厂兼容高分辨率图案化。研究成果以“Foundry-compatible high-resolution patterning of vertically phase-separated semiconducting films for ultraflexible organic electronics”发表在综合的国际期刊《Nature Communications》上
高性能薄膜晶体管（TFT）是平板显示产业中的背板技术的核心部件，也是提高电子设备显示效果，降低成本的重要环节。目前，基于硅半导体的晶体管仍是商业中应用最广的 。然而，随着柔性、大面积、高分辨和三维显示技术的发展，非晶硅的低迁移率和脆性多晶硅差的性能均一性限制它们在这些领域的应用。而有机半导体因具有良好的机械柔性、迁移率、原料多样性以及卷对卷印刷制造受到广泛关注。经过几十年的发展，可溶液法制造的有机晶体管是正处于大规模工业化的边缘，在像素化薄膜的制造过程中，聚合物半导体的溶液可加工性成为不利因素，因为底层薄膜容易受到后续溶剂暴露的影响。与代工厂兼容的图案化工艺必须满足以下要求，包括高通量和高分辨率图案化、广泛的通用性、环境可加工性、环境友好的溶剂以及最小的器件性能影响。然而，已知的方法只能满足这些要求中的极少数。
针对以上问题，王炳昊研究员与国际团队合作提出垂直相分离膜的机制用于三步光刻商用半导体聚合物薄膜，该过程涉及交联半导体聚合物和紫外线光固化添加剂的垂直相分离混合物，并使用环境友好的溶剂，仅通过三个步骤即可在空气环境中以高达 0.5微米的分辨率进行光图案化。图案化的半导体薄膜可以集成到薄膜晶体管中，这些晶体管具有出色的传输特性、低截止电流和高热（高达 175 °C）和化学（在氯仿中浸泡 24 小时）稳定性。此外，这些图案化的有机结构还可以集成在 1.5微米厚的衬底上，以制备高机械柔性的薄膜晶体管（耐5,000 次@1毫米半径弯曲）。
该研究项目历时三年半，涉及半导体器件，材料科学、物理和化学等多个学科。面临多项重大挑战，如采用包括同步辐射，X射线光电子能谱仪，原子力显微镜等多个表征技术来研究实验机理；制备超薄超柔性有机晶体管阵列等。
研究团队成员包括来自美国西北大学、东京大学、苏州大学、中北大学、四川大学、东华大学和Flexterra公司的学者。该项目得到了东南大学、美国空军科学研究办公室，商务部，能源部，日本学术振兴会等科学基金的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25059-8
