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研究人員成功印刷超薄有機電子元件

上網時間: 2015年06月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:有機電子  軟性顯示器  RFID  印刷薄膜  聚合物 

利用合成材料製造的印刷微電子元件提供了輕薄、可撓曲的好處,而且能夠以更具成本效益且節能的方式進行生產,廣泛地應用在軟性顯示器與觸控螢幕、發光薄膜、RFID標籤以及太陽能電池。

有機電子可望作為傳統矽晶的替代技術,造就一個具發展前景的未來。如今,利用有機發光二極體(OLED)製造的軟性顯示器和發光壁紙正迅速發展中。

慕尼黑工業大學(Technische Universitat Munchen;TUM)的物理學家在一項國際性的合作計劃中證實,超薄聚合物電極可利用印刷的方式製造出來,而且還能成功地改善印刷薄膜的電氣特性。


研究人員仔細觀察以導電聚合物製造的透明薄膜電極;這種導電聚合物是在可撓性基板上印刷出來的。
(來源:TUM)

然而,為了製造出產業級的元件,半導體或絕緣層(比人的髮絲更輕薄1千倍)必須能以預先定義的順序印刷在載體薄膜上。「這是一個非常複雜的過程,必須充份地瞭解其細節,才能實現量身打造的客製化應用,」慕尼黑工業大學機能材料系主任Peter Muller-Buschbaum解釋。

更棘手的挑戰是必須在可撓性導電層之間進行接觸。在一般情況下,通常使用以結晶氧化銦錫製造的電子觸點。然而,這種結構存在許多缺點:氧化物比其上的聚合物層更易碎,因而可能限制電池的可撓性。此外,在製造過程中還會消耗大量的能量。最後,銦是一種數量非常有限的稀有元素。

就在幾個月前,美國加州羅倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory;LBNL)的研究人員首次成功地在印刷過程中觀察到有機太陽能電池活性層中的聚合物分子交叉鏈接。Muller-Buschbaum的團隊與加州的研究人員們開始合作,利用這項技術,提高了聚合物電子元件的特性。


基於導電聚合物的有機電子市場發展前景樂觀。
(來源:TUM)

研究人員利用在柏克萊國家實驗室同步進行研究時所產生的X射線輻射。X射線被引導至新印刷的合成層並逐漸擴散。分子在印刷薄膜固化過程中的安排與方向,可以從擴散模式的變化來決定。

「由於X射線輻射極其密集,讓我們得以實現一個非常高的時間解析度,」Claudia M. Palumbiny表示。這位遠從慕尼黑工業大學來的物理學家在加州柏克萊的實驗室中研究有機電子組成中排序並選擇傳送電荷載子的「阻障層」。如今,慕尼黑工業大學的研究團隊與美國的研究人員們已經聯手在《先進材料》(Advanced Materials)期刊中發表了這項研究結果。

「我們在研究工作中發現,這是有史以來第一次在物理化學製程條件下的微小變化對於疊層的集結與特性帶來明顯的影響。」例如,Claudia M. Palumbiny表示,「添加具有高沸點的溶劑提高了合成材料組成的偏析,從而改善了傳導分子的結晶。分子之間的距離縮小,同時提高了導電率。


可印刷有機電子的印表機。
(來源:TUM)

透過這種方式,可以使穩定度和電導性提高到讓材料不僅可被部署為一種阻障層的程度,甚至還能作為透明的電接觸。這可用於取代易碎的氧化銦錫層。Palumbiny解釋,「最終,這意味著所有的疊層都可利用相同的製程進行生產,從而為製造商帶來極大的好處。」

為了實現這些目標,TUM的研究人員希望持續研究並進一步最佳化電極材料,將這些研究結果與知識提供給業界。「如今我們已經形成了推動材料發展以及進一步研究的基礎,未來這些都將用於業界廠商,」Muller-Buschbaum教授表示。

這項研究是由歐洲理工大學聯盟《光電介面科學》(ISPV)的綠色科技(GreenTech Initiative)計劃、TUM的國際科學與工程研究所(IGSSE),以及卓越集團(Cluster of Excellence)慕尼黑奈米系統計劃(NIM)所贊助支持。並獲得來自巴伐利亞國際博士課程「奈米生物技術」(IDK-NBT)與奈米科學中心(CENS)的精英網路(Elite Network)、以及美國能源部(DoE)先進能源研究中心贊助「基於聚合物材料的太陽能採集」(PHaSE)計劃的進一步支持。此外,該研究的部份工作是在美國能源部基礎能源科學辦公室支持的先進光源計劃中進行。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Printed designer organic electronics,by Jean-Pierre Joosting)





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