全打印有机薄膜晶体管——通往可扩展高性能柔性电子之路

·标题：Fully printed organic thin-film transistors: pathways to scalable, high-performance flexible electronics

·作者：Shengyu Yu, Wei Deng, Fangxu Yang, Xianshuo Wu, Yiwen Ren, Yidi Xie, Simin Sun, Hao-Li Zhang*, Wenping Hu*

·期刊：Chemical Society Reviews（2025）

·DOI：10.1039/D5CS00920K

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物联网（IoT）和大面积电子技术的兴起，对下一代轻量化、柔性化和高能效器件提出了迫切需求。虽然有机半导体（OSC）材料具备卓越的溶液加工性，使得打印制造技术成为可能，但在从“部分打印”向“全打印”有机薄膜晶体管（OTFT）及其集成电路的过渡中，仍面临巨大的挑战。主要难点在于实现各功能层（导体、介电层、半导体）在打印过程中的完全兼容，以及在保证高通量制造的同时实现高分辨率和高性能电学特性 。针对上述挑战，天津大学胡文平/杨方旭团队与兰州大学张浩力团队、苏州大学邓伟团队合作，在化学顶刊《Chem.Soc.Rev.》上发表综述。文章系统梳理了全打印OTFT的发展历程，从化学角度深入分析了功能墨水的配方、界面工程策略以及器件集成工艺，并展望了全打印电子在未来IoT应用中的前景。

1.印刷技术与核心功能墨水的设计

 实现全打印电子的基础在于印刷技术与功能墨水的完美匹配。综述对比了数字印刷（如喷墨打印、EHD打印）与非数字印刷（如凹版印刷、丝网印刷）的特点。印刷技术：喷墨打印适合无掩模图案化，但受限于咖啡环效应；电流体动力学（EHD）打印利用电场拉动墨水，可实现亚微米级（<1 μm）的高分辨率打印，是高集成度器件的理想选择 。凹版印刷和丝网印刷则更适合卷对卷（R2R）的大规模高速制造。导电墨水：涵盖了金属纳米颗粒（Ag, Au, Cu）、碳纳米材料（CNT, Graphene）、导电聚合物（PEDOT:PSS）及MXene等。特别指出了通过添加聚合物连接体或表面活性剂来解决MXene在水系墨水中的重堆积问题。介电材料： 探讨了金属氧化的溶胶-凝胶法打印及低温光活化退火策略，以及聚合物介电层（PVP, PI）的交联改性以提高介电常数和耐溶剂性。

图1.全打印有机电子制造概览。展示了从导电材料、介电层到有机半导体的各类功能墨水，以及界面工程和印刷技术在R2R大规模制造流程中的集成。

2.有机半导体薄膜的结晶与形貌调控

有机半导体（OSC）层的结晶质量直接决定了OTFT的迁移率。综述重点讨论了在印刷过程中调控流体动力学以优化分子排列的策略。聚合物半导体：利用印刷过程中的剪切力（Meniscus-Guided Printing, MGP）诱导聚合物骨架的平坦化和取向排列 。例如，通过设计微柱阵列叶片增强流体剪切应变，可大幅提升聚合物链的结晶度。小分子单晶生长：针对喷墨打印中多重成核导致晶界过多的问题，提出了“水滴形”图案化润湿区设计，利用蒸发速率差异控制单晶种子的形成 。此外，引入横向流体流动和非离子表面活性剂，克服了高速打印（>1 mm/s）下的各向异性生长问题，实现了晶圆级高均匀性有机单晶薄膜的快速制备。

图2.(a)用于减少喷墨打印有机太阳能电池（OSSCs）成核事件的泪滴形拓扑图案示意图。(b)泪滴液滴顶点处的溶剂蒸发速率。(c)基于溶剂润湿模式的“取向过滤漏斗”概念，用于引导晶体晶种取向。(d)用于稳定流体流动并确保晶体阵列高度排列且单向取向的微通道设计。(e)印刷速度对C8- BTBT 晶体生长行为的影响，从二维向一维各向异性生长转变。(f)添加横向流体流动和非离子表面活性剂以增强横向结晶，克服高速印刷时的各向异性生长问题。(g)室温下在晶圆尺度上高速打印均匀有机太阳能电池（OSCs），并改善其电子性能。

3.全打印器件的界面工程

由于全打印工艺中各层材料需逐层沉积，“界面即器件”显得尤为重要。文章提出了多种兼容打印工艺的化学界面工程方法。接触界面（电极/半导体）：传统的底栅底接触（BGBC）结构常因电极表面能差异导致半导体成膜性差。利用自组装单分子层（SAMs）如PFBT改性Ag电极，不仅能调节功函数，还能诱导OSC分子垂直排列 。创新性地提出了“埋层接触掺杂”策略，将掺杂剂直接混入OSC墨水，退火后掺杂剂自发迁移至接触界面，有效降低了接触电阻。介电界面（介电层/半导体）：利用垂直相分离（VPS）技术，在OSC与聚合物（如PS）的混合墨水中，使低表面能的聚合物自发沉积在底部形成钝化层，从而在单次打印中构建出高质量的半导体/介电层界面，显著降低界面态密度。

图3.(a)打印型有机薄膜晶体管（OTFT）中使用的底部栅极底部接触（BGBC）结构的图像，其中导电油墨的印刷和后处理过程会损坏可溶性OSCs。(b)描述印刷导电油墨对低表面能OSCs薄膜产生“咖啡化”效应的光学图像。

图4.(a)用于金属表面改性的自组装单层膜（SAMs）化学结构示意图，其中巯基通过硫醇盐-金属共价键与金属表面结合。(b)金属表面经硫醇衍生物修饰后引发势能偏移的示意图。(c) 展示SAM中偶极子如何影响金属功函数的示意图，偶极子方向决定功函数变化。(d)PEDOT表面改性：通过末端硅修饰PSS电极以改善结晶度并减少界面缺陷。(e)PS–Si（CH3）2Cl处理对有机太阳能电池（OSC）薄膜中晶区有序化及其对 OTFT 迁移率增强的影响。(f)分子提升OTFT埋入接触界面过程示意图。经热处理后，C8- BTBT单晶薄膜中的PFBT分子迁移至Ag电极与C8-BTBT薄膜界面，自发反应形成Ag-S键。

4.全打印集成电路与应用

综述展示了全打印技术在逻辑电路、传感器及显示驱动背板方面的最新突破，标志着从单一器件向复杂系统的跨越。3D集成电路：通过喷墨打印导电互连层和激光钻孔技术，实现了多层堆叠的3D互补逻辑电路，晶体管密度达到60 units cm^-2。有源矩阵与传感器： 结合高精度表面能调控技术，制备了200 PPI的高分辨率OTFT背板，成功驱动电子纸显示屏 。此外，开发了全打印的光电神经形态电路，通过模拟突触可塑性，实现了低能耗的图像识别与强化学习功能。

图5.印刷有机薄膜晶体管与三维集成电路。(a) 采用双栅 OTFT 设计的示意图，该设计可改善亚阈值斜率并降低器件工作电压，其OTFT阵列制备于柔性塑料薄膜上。(b)三维集成环形振荡器的示意图，展示了有机薄膜晶体管在不同层间的堆叠结构，其中反相器级位于独立层中。(c)三维互补型有机薄膜晶体管的示意图，采用多层结构并通过喷墨打印技术制备电极。(d)7层印刷电路的示意图，通过激光钻孔形成的通孔实现层间互连。(e)电子显微镜横截面图像，显示共形沉积的堆叠器件层。

本文综述了全打印有机薄膜晶体管及其集成电路的最新进展。尽管在材料合成、墨水配方和打印工艺方面取得了显著成就（例如全打印OTFT迁移率已达到 13.8 cm²·V^-1·s^-1），但要实现商业化应用仍面临分辨率、集成密度和生产效率的三重挑战。

未来的研究方向应聚焦于：

一、高性能材料开发： 开发耐热性更好、迁移率更高且环境稳定的OSC及低温烧结导电墨水 。

二、工艺创新： 结合高分辨率EHD打印与高通量凹版印刷的优势，开发混合打印技术 。

三、杀手级应用： 瞄准物联网（IoT）中对成本敏感、形状可变的场景，如智能包装、一次性生物传感器和柔性可穿戴设备 。

       通过化学合成、界面工程和工艺创新的协同努力，全打印有机电子有望从实验室走向主流应用，成为万物互联时代的核心技术。

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