注：文末有本文科研思路分析
有机半导体分子晶体有着非凡的电荷传输和光电特性，并且其光电性能可以通过精心设计其分子结构单元和可控的自组装来调整。但是大多数复杂的图案化技术，例如电子束光刻（E-beam）或聚焦离子束刻蚀（FIB）是侵入性的，因为它们所依赖的高能的束流会破分子晶体的结构，因而能直接用于有机晶体器件的制备。迄今为止，仅有很少的工艺可以用于制备微纳尺度的有机晶体器件。光刻技术是目前常用的图案化加工技术，它为现代（光电）电子学奠定了基础。这种图案化方法也专门用于单晶硅的加工中，以实现高密度的器件集成。鉴于此，光刻技术仍然是将分子晶体整合到光电器件中的理想方法。
然而，由于分子晶体的固有脆弱性和不稳定性，想直接在有机分子晶体上进行光刻操作是极具挑战性的，其难点在于：（1）当分子晶体暴露于光刻胶和碱性的显影剂时，由于有机分子本身的不稳定性其晶体结构可能会被破坏。（2）由于分子晶体的脆弱性，它们通常难以安全地经历光刻胶的剥离过程，因为晶体会被有机溶剂（丙酮/N-甲基甲酰胺/二甲基亚砜等）所溶解。
近日，来自斯特拉斯堡大学和南京大学的研究人员在直接利用光刻法制备高性能分子晶体光电器件方面迈出了一大步。
他们首次报道了一种新的工艺过程，通过引入额外的交联-聚羟基苯乙烯（CL-PVP）保护层和温和的剥离过程（乙醇作为溶剂）可以使用光刻技术将多个有机晶体同时直接集成到微/纳米器件中。该工艺可用于制备任意形状和位置的金属电极，并且同时具有很高的精度，空间分辨率低于300 nm。而且该工艺兼容柔性基底如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。通过利用直接的光刻工艺，作者同时在刚性的二氧化基底上和柔性的PET基底上制备了基于p型Dph-BTBT二维纳米薄片和n型PTCDI-C8一维纳米线的有机场效应晶体管和互补反相器电路，增益为达到~7。
直接光刻技术也为研究一维有机半导体材料的内在光子特性提供了基础。作为概念验证，作者还开发了基于平面不对称Au-Ag电极的有机晶体给体-受体异质结光伏器件。利用这类晶体异质结原型器件，明确说明了能量级对短路电流和开路电压的影响，并实现了从0.56 V到1.4 V的大开路电压调制。
通过将光刻技术延伸到有机晶体能够在其顶部精确地图案化电极来充分利用有机半导体材料的固有特性，以最终将有机/无机材料相结合以实现高性能杂化光电器件。光刻技术与有机分子晶体的兼容性是开发复杂的大面积集成电路的关键，这也为将来塑料电子器件的集成应用铺平了道路。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上并入选底封面，文章的第一作者姚奕帆目前在斯特拉斯堡大学从事博士后研究。通讯作者为南京大学的张磊教授和法国斯特拉斯堡大学的Paolo Samorì教授。
该论文作者为：Yifan Yao, Lei Zhang, Tim Leydecker, and Paolo Samorì
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Direct Photolithography on Molecular Crystals for High Performance Organic Optoelectronic Devices
J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6984–6990, DOI: 10.1021/jacs.8b03526
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们的研究兴趣是对于新型有机半导体器件的制备和器件的集成。于无机半导体晶体类似，有机半导体晶体材料相对于其无定型结构有着更好电荷传输特性和光电响应。目前，虽然在有机半导体晶体的生长和性能研究的方面有了很多的报道，但是对于有机晶体的器件制备技术的研究仍然非常有限，难以适应将来大规模集成电路的制备。因此，为了发展能够兼容于有机半导体材料实现大面积、高性能、高分辨率的器件加工工艺是当前有机半导体领域一个重点和难点。
Q：在研究过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：本项研究中最大的挑战是光刻胶的剥离过程。为了找到合适的条件和溶剂来实现无损的剥离晶体上的光刻胶和金属我们探索了很久。在这个过程中，我们团队在有机微纳器件制备方面的经验积累起了至关重要的作用。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：经过几十年的研究，有机半导体无论是在材料性能上还是在制备工艺上都已经取得了很大的进展。我们相信，我们的贡献将引起科学界和工业界的广泛兴趣，并将对纳米技术与（光电）电子学之间的交叉领域的未来发展产生重大影响，这种技术有利于制造高分辨率有机晶体光电器件和进一步的工业大规模生产并且将对相关领域的发展产生推动作用。
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