中科院化學所宋延林、李會增團隊 Adv. Mater.: 可編程表面能實現“一版多印” - 高效印刷制備光電器件
功能材料的精準印刷圖案化是柔性電子和顯示器件等制備過程中的關鍵基礎技術。在多功能層器件的印刷過程中，通常需要使用多個印版來實現不同材料/圖案的印刷，這不僅增加了印版制作成本和操作復雜性，還可能引起圖形對齊偏差。因此，如何通過減少多材料印刷所需的印版數量，簡化工藝流程并提升制造效率，已成為推動印刷技術向更高效率、更低成本方向發展的重要研究課題。
近日，中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室宋延林、李會增團隊報道了一種基于可編程表面能的“一版多印”材料圖案化新策略，突破了傳統印刷功能器件對多印版的依賴。通過選擇性地調控印版的表面能分布，團隊成功構建了具有圖案化表面能的印版（patterned-surface energy stamp, PSES）。該印版能夠控制不同表面張力的墨水發生選擇性潤濕，在印版表面形成不同的墨水圖案（圖1）。這樣，利用單個印版，即可將不同的材料墨水精確印刷形成多種功能圖案。在此基礎上，研究團隊僅用單一PSES成功實現了柔性發光器件（發光層/介電層/導電層）和高密度晶體管（源、漏電極/半導體層）陣列的印刷制備，充分驗證了該策略在復雜功能器件集成制造中的普適性優勢。
圖1.PSES的設計與印刷機制
該團隊首先建立了PSES制備條件-表面能分布-墨水浸潤狀態之間的關系，為“一版多印”方法奠定了基礎（圖2）。為了展示PSES在液體圖案化操控方面的卓越能力，利用高速攝像機記錄了不同表面張力的墨滴撞擊PSES的動態過程。可以看出，隨著液滴表面張力的增大，印版表面撞擊后形成的潤濕圖案由“8”逐漸變為“4”和“1”，證明不同墨水與印版表面存在差異化的動態相互作用。同時，這種精確的液體操控能力也為發展新型微流控器件和化學檢測方法提供了新的可能性。
圖2.基于PSES的液滴操控能力
為了展示“一版多印”方法在多材料印刷方面的應用潛力，研究團隊制備了集成四種不同表面能圖案的印版。通過調控不同表面張力的墨水，利用單一印版通過多次套印的方式，將不同墨水圖案逐層疊加，成功印刷出多彩的圖案。對于更為復雜圖畫，團隊還采用計算機對圖案的色彩分布進行分析和處理，從而指導印版表面能圖案的設計，最終實現了復雜圖案的精確印刷（圖3）。
圖3.基于PSES印刷的多彩復雜圖案
最后，研究團隊利用PSES成功印刷制備了包含多個功能層的柔性發光器件與場效應晶體管陣列。柔性發光器件由發光層、介電層和導電層組成。通過單一印版對不同墨水的精確控制，能夠實現多層結構的高精度印刷，制備的器件展示出優異的發光性能和良好的機械穩定性。場效應晶體管印刷層包括源漏電極層、半導體層構成。研究團隊采用“一版多印”策略，利用單個PSES在8英寸硅片表面印刷集成了超過17,900個晶體管陣列，并表現出良好的電學性能與均一性（圖4），展示了該技術在大面積器件印刷制備方面的應用前景。
圖4.基于PSES印刷的柔性發光器件和高密度晶體管陣列
綜上所述，該工作發展了基于表面能集成與功能墨滴調控的“一版多印”高效印刷策略，實現了柔性電子器件和高密度晶體管陣列的單印版構筑，為印刷技術的創新和功能材料的集成提供了新的思路。研究內容以“Printing Multi-Layered Functional Devices Using One Stamp with Programmable Surface Energy”為題發表在Advanced Materials上。該工作的第一作者是中國科學院化學研究所碩士研究生柳泉和博士后李安，通訊作者為中國科學院化學研究所宋延林研究員和李會增副研究員。
該工作是宋延林/李會增團隊精準控制墨滴行為的最新進展之一。通過基底非均質表面能設計，該團隊揭示了圖案化浸潤性對打印墨滴動態行為的系統調控規律，取得了系列研究成果，包括液滴旋轉回彈（Nat. Commun., 2019, 10, 950）、打印墨滴自發切割圖案化（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10535）、液滴復雜行為操縱（Sci. Adv., 2020, 6, eaay5808）、瑞利失穩效應抑制（Nat. Commun., 2021, 12, 6899）、三相線動態控制（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2022, 119, e2201665119）、液滴自發旋轉行為調控（Nat. Commun., 2023, 14, 2646）、液滴動能-基底表面能轉化(Nat Commun., 2024, 15, 4225)等。
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413819?af=R
