中科院化学所宋延林、李会增团队 Adv. Mater.: 可编程表面能实现“一版多印” - 高效印刷制备光电器件
功能材料的精准印刷图案化是柔性电子和显示器件等制备过程中的关键基础技术。在多功能层器件的印刷过程中，通常需要使用多个印版来实现不同材料/图案的印刷，这不仅增加了印版制作成本和操作复杂性，还可能引起图形对齐偏差。因此，如何通过减少多材料印刷所需的印版数量，简化工艺流程并提升制造效率，已成为推动印刷技术向更高效率、更低成本方向发展的重要研究课题。
近日，中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林、李会增团队报道了一种基于可编程表面能的“一版多印”材料图案化新策略，突破了传统印刷功能器件对多印版的依赖。通过选择性地调控印版的表面能分布，团队成功构建了具有图案化表面能的印版（patterned-surface energy stamp, PSES）。该印版能够控制不同表面张力的墨水发生选择性润湿，在印版表面形成不同的墨水图案（图1）。这样，利用单个印版，即可将不同的材料墨水精确印刷形成多种功能图案。在此基础上，研究团队仅用单一PSES成功实现了柔性发光器件（发光层/介电层/导电层）和高密度晶体管（源、漏电极/半导体层）阵列的印刷制备，充分验证了该策略在复杂功能器件集成制造中的普适性优势。
图1.PSES的设计与印刷机制
该团队首先建立了PSES制备条件-表面能分布-墨水浸润状态之间的关系，为“一版多印”方法奠定了基础（图2）。为了展示PSES在液体图案化操控方面的卓越能力，利用高速摄像机记录了不同表面张力的墨滴撞击PSES的动态过程。可以看出，随着液滴表面张力的增大，印版表面撞击后形成的润湿图案由“8”逐渐变为“4”和“1”，证明不同墨水与印版表面存在差异化的动态相互作用。同时，这种精确的液体操控能力也为发展新型微流控器件和化学检测方法提供了新的可能性。
图2.基于PSES的液滴操控能力
为了展示“一版多印”方法在多材料印刷方面的应用潜力，研究团队制备了集成四种不同表面能图案的印版。通过调控不同表面张力的墨水，利用单一印版通过多次套印的方式，将不同墨水图案逐层叠加，成功印刷出多彩的图案。对于更为复杂图画，团队还采用计算机对图案的色彩分布进行分析和处理，从而指导印版表面能图案的设计，最终实现了复杂图案的精确印刷（图3）。
图3.基于PSES印刷的多彩复杂图案
最后，研究团队利用PSES成功印刷制备了包含多个功能层的柔性发光器件与场效应晶体管阵列。柔性发光器件由发光层、介电层和导电层组成。通过单一印版对不同墨水的精确控制，能够实现多层结构的高精度印刷，制备的器件展示出优异的发光性能和良好的机械稳定性。场效应晶体管印刷层包括源漏电极层、半导体层构成。研究团队采用“一版多印”策略，利用单个PSES在8英寸硅片表面印刷集成了超过17,900个晶体管阵列，并表现出良好的电学性能与均一性（图4），展示了该技术在大面积器件印刷制备方面的应用前景。
图4.基于PSES印刷的柔性发光器件和高密度晶体管阵列
综上所述，该工作发展了基于表面能集成与功能墨滴调控的“一版多印”高效印刷策略，实现了柔性电子器件和高密度晶体管阵列的单印版构筑，为印刷技术的创新和功能材料的集成提供了新的思路。研究内容以“Printing Multi-Layered Functional Devices Using One Stamp with Programmable Surface Energy”为题发表在Advanced Materials上。该工作的第一作者是中国科学院化学研究所硕士研究生柳泉和博士后李安，通讯作者为中国科学院化学研究所宋延林研究员和李会增副研究员。
该工作是宋延林/李会增团队精准控制墨滴行为的最新进展之一。通过基底非均质表面能设计，该团队揭示了图案化浸润性对打印墨滴动态行为的系统调控规律，取得了系列研究成果，包括液滴旋转回弹（Nat. Commun., 2019, 10, 950）、打印墨滴自发切割图案化（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10535）、液滴复杂行为操纵（Sci. Adv., 2020, 6, eaay5808）、瑞利失稳效应抑制（Nat. Commun., 2021, 12, 6899）、三相线动态控制（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2022, 119, e2201665119）、液滴自发旋转行为调控（Nat. Commun., 2023, 14, 2646）、液滴动能-基底表面能转化(Nat Commun., 2024, 15, 4225)等。
全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413819?af=R
