背景介绍：增材制造（AM）技术，如数字打印，因其在环境条件下精确沉积功能材料的能力，已成为柔性电子、生物集成传感器等领域的关键技术。然而，对于有机半导体这类性能高度依赖于分子有序排列的功能材料，传统打印技术能够控制材料的沉积位置，却难以精确控制其结晶过程，导致多晶薄膜中存在晶界和取向紊乱，从而严重限制了有机集成电子器件（如有机场效应晶体管，OFET）的性能和均匀性。
研究思路：针对传统打印技术在控制有机半导体结晶方面的固有难题，天津大学胡文平院士、任晓辰教授与天津大学福州国际联合学院段树铭副研究员提出了一种利用电流体喷印(EHD)，在无需对衬底进行图案化或空间限域的条件下，实现有机半导体单晶阵列可编程打印的策略。其核心创新是发现并利用在打印喷嘴下方形成的一个动态、可调的液相-结晶区域（DLCA）。通过调整打印参数（如电压和速度）来调控DLCA的几何形状，从而精确控制溶质传输、溶剂蒸发和成核过程的动力学耦合，抑制随机成核并引导各向异性晶体生长，最终实现有机单晶的确定性形成。
研究内容：研究团队开发了一种特殊的、不含纳米颗粒的小分子有机半导体与聚合物混合墨水。实验证明，通过精确调控打印参数，可以将DLCA宽度控制在约10-30微米。在此条件下，溶剂的快速蒸发在DLCA内产生了一个狭窄的、过饱和度急剧升高的区域，这使得单晶成核在动力学上占据主导，从而打印出高度取向一致、结构完整的有机单晶阵列。研究者利用C8-BTBT、diF-TES-ADT和TIPS-并五苯等多种有机半导体材料验证了该方法的普适性。结构表征（如AFM、GIWAXS、SAED）证实了打印晶体具有高质量的单晶结构。将这些单晶集成到OFET阵列中，平均空穴迁移率达到7.8 cm2 V-1 s-1，且器件间性能差异系数（CV）低至~13.1%，展现出优异的电学性能和均匀性。
应用：该打印方法具有良好的应用潜力。研究团队成功展示了多种功能器件，包括在柔性聚萘二甲酸乙二酯（PEN）基底上制造的低电压、耐弯曲OFET阵列；基于打印单晶晶体管的伪互补金属氧化物半导体（CMOS）逆变器电路，在5V电压下增益超过10；以及一个包含96个通道的有机光电探测器线阵，能够成功解码一维条形码信息，展现了在光学识别和数据提取方面的应用前景。
总结：本研究发展了一种通过调控DLCA来实现有机半导体单晶可编程数字印刷的普适性策略。它打破了传统增材制造中“可沉积但不可结晶”的局限，无需对衬底进行预处理或图案化即可在环境条件下直接打印出高质量、大面积取向一致的有机单晶阵列。所制备的器件在性能和均匀性上可与传统方法生长的单晶相媲美，为未来高性能、柔性、可扩展的有机集成电子电路制造提供了一种强有力的解决方案。
来源：化学身边学公众号
DOI：10.1126/sciadv.aeb9155
