有机半导体晶体凭借其柔韧性、高载流子迁移率和高度可调的电子结构，成为下一代光电器件的理想材料。然而，现有微纳加工工艺带来的晶体结构缺陷和残留层问题制约了其性能。近日，吉林大学夏虹教授团队和清华大学孙洪波教授、林琳涵副教授团队提出了一种无损的晶化压印（NICL）技术，通过压印过程的温度梯度同步调控结晶动力学与PDMS模具对熔体残留层的吸收效应，实现了低缺陷密度、高均匀性的有机晶体图案化制备。该技术为有机光电器件的规模化制造开辟了新路径。研究成果以“Nanoimprint crystalithography for organic semiconductors”为题发表于国际学术期刊Nature Communications。论文的共同第一作者为吉林大学李顺心副教授和清华大学博士生黄冠尧，共同通讯作者是吉林大学夏虹教授，清华大学林琳涵副教授和孙洪波教授。
本研究中提出有机晶体的晶化压印技术（NICL），以有机粉末为原料，通过外部压力和毛细力使有机熔体在PMDS模板中成型。通过压印过程中严格的温度梯度控制，实现熔融态有机晶体结晶动力学的有效调控，促进晶体生长过程的缺陷自修复，降低晶体缺陷浓度，提升分子排布有序度。（图1）
图1 有机晶体的晶化压印（NICL）技术示意图
NICL技术全程无需溶剂或显影剂，避免高能辐射（紫外光/电子束）或腐蚀性溶剂对有机分子结构的破坏。实验证明，采用NICL技术制备的OMSB晶体缺陷密度低至1.0×1010 cm⁻³，载流子迁移率达到 4.25 cm² V−1 s−1，接近单晶水平。（图2）
图2 NICL技术制备高质量晶体
在压印过程中，PDMS不仅作为模板定型晶体形状，其多孔结构还在冷却阶段吸附过量熔体，消除微纳结构间的残留层，形成独立的图案化结构，避免结构间的串扰。通过模具的设计，有机晶体独立结构的形状、尺寸高度可调，具有纳米级表面粗糙度，满足光子器件对表面质量的严苛要求。（图3）
图3 基于NICL技术的复杂、独立二维图案高精度制备
NICL技术具有良好的兼容性和普适性，可应用于多种不同的有机材料及混合有机材料的晶体图案化制备。利用NICL技术制备的微盘激光器兼具高Q值（1667）和低阈值（17.48 μJ/cm2）的优势。此外，利用NICL技术制备的场效应晶体管阵列的器件间差距低至2.12%，连续工作1000小时后，迁移率衰减<5%，表明了该技术在有机光电器件大规模制备中的优势。（图4，5）
图4 NICL技术的普适性与多材料兼容性
图5 NICL技术在高性能光电器件制备中的应用
NICL技术通过创新性地结合纳米压印与原位结晶动力学调控，解决了有机半导体图案化的三大核心难题：提升晶体质量、消除残留层以及控制均匀性。其普适性已获验证，可扩展至多元材料体系并应用复杂器件大规模集成。未来，该技术有望推动柔性显示、可穿戴电子、片上光子集成等领域的突破，为下一代高性能、低成本有机光电器件的规模化制造提供变革性解决方案。
该项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林省自然科学基金，清华大学自主科研计划、佛山-清华产学研合作协同创新专项（佛山创新专项）资金资助等项目的资助。
供稿：课题组
