氣泡模板印刷超高精度分子圖案研究獲進展

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發(fā)展超高精度有機功能材料的微納圖案制造技術(shù)對于有機電子學發(fā)展具有重要意義，但有機材料與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的不兼容性限制了其超高精度分子圖案與器件的制備，因而如何實現(xiàn)有機功能材料分子尺度圖案化成為該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。目前，適用于有機功能分子的高精度圖案化技術(shù)主要包括蘸筆印刷技術(shù)、納米壓印技術(shù)、嵌段共聚物自組裝技術(shù)和DNA剪輯技術(shù)等，在圖案精度調(diào)控、材料普適性等方面存在諸多局限，亟需發(fā)展新方法。

中國科學院化學研究所綠色印刷院重點實驗室宋延林課題組突破氣泡演化過程中的奧斯瓦爾德熟化等局限，提出了氣泡模板印刷分子尺度圖案與器件的新思路。研究利用氣泡壁限域效應(yīng)驅(qū)動分子受限組裝的策略，在分子材料可控組裝與圖案化方面取得了系列進展（J. Am. Chem. Soc. 2023, 14*, 4, 2404-2413；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 16*47；InfoMat, 2022, 4, e12323）。氣泡膜極限厚度可達雙分子層的牛頓黑膜（Newton Black Film，NBF），為有機功能材料超高精度圖案化提供了獨特的解決思路，有望突破目前分子器件制備的局限。

近日，該課題組從分子材料結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，提出了“雙片段”（pi-共軛功能母核+表面活性端基）單組份組裝策略，獲得了精度達12 nm的分子圖案。這一策略將分子圖案的精度從納米級提升至僅少數(shù)分子層的分子尺度。研究利用四苯乙烯母核的聚集誘導熒光特性實現(xiàn)了對組裝過程中氣泡壁破裂行為的原位可視化觀測，發(fā)現(xiàn)了氣泡膜破裂位置是決定分子圖案的組裝形貌和均勻性的關(guān)鍵。此外，研究通過自行搭建的分離壓膜厚測試系統(tǒng)，測得了液膜收縮過程中的分離壓等溫曲線。結(jié)果表明，對稱分子的液膜厚度可穩(wěn)定至10 nm，而非對稱分子液膜厚度僅可穩(wěn)定至約*0 nm。結(jié)合分子動力學模擬，研究揭示了不同對稱性分子的氣泡壁受限組裝機制。研究表明，對稱結(jié)構(gòu)分子具有更小的分子聚集結(jié)構(gòu)、更好的分子重構(gòu)能力以及片層狀的有序排列方式，更利于實現(xiàn)少數(shù)分子層精度的印刷圖案。該工作為超高精度分子圖案化和器件制備提供了新的理論、奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Advances上，并入選當期雜志的Featured Image。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、中科院和北京分子科學國家研究中心的支持。

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圖1.氣泡印刷構(gòu)筑超高精度分子圖案

圖2.從液膜收縮與分子聚集角度揭示不同對稱性分子的氣泡壁受限組裝機制

來源：中國科學院化學研究所

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