[发明专利]一种可延展的屈曲结构有机薄膜功能器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可延展的屈曲结构有机薄膜功能器件及其制备方法，为三层结构，顶层为Au电极，中间层为有机功能层，底层为Au电极。制备方法包括如下步骤：（1）配制PVA和有机功能层溶液；（2）牺牲层制备；（3）底层电极制备；（4）有机功能层制备；（5）顶层电极制备；（6）器件微加工；（7）器件剥离；（8）转印，卸载即得。本发明以PVA作为牺牲层，通过控制转印过程中柔性衬底的预拉伸可调控薄膜的屈曲程度（周期和振幅），从而使器件实现有机薄膜的功能性并兼具可延展性。PVA作为牺牲层用水即可溶解以实现器件的转印，无毒无害无损，操作简单，无需使用昂贵的专用设备，成本大大降低且对环境友好。

技术领域

本发明涉及柔性电子领域，具体地说，涉及一种可延展的屈曲结构有机薄膜功能器件及其制备方法。

背景技术

柔性电子器件，以其独特的弯曲、拉伸、折叠特性，在生物医疗、军工航天、信息能源等各个领域都具有十分广阔的应用前景，例如可穿戴电子设备、电子皮肤健康监控、柔性太阳能电池等等。研究调查显示，目前柔性电子产品其功能单元多基于无机物材料，如冯雪组制备出能集成在生物组织上收集能量的超薄柔性PZT能量收集器，Juejun Hu组制备的柔性无机半导体发光二极管阵列，还有制备于柔性衬底的完整探测器(人工复眼、人造视网膜)等。然而，无机柔性电子器件尚有如下缺点难以克服：无机材料结构的固有刚性，使得其不可避免地在弯曲拉伸过程中容易发生断裂损坏，器件易损坏且制备难度提高；无机材料一般需要600~1000℃甚至更高的退火温度，无法直接集成于柔性衬底，需要通过一系列的精细加工方法：如溅射、高精度光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀等方法，加工过程工艺复杂，成本高昂，所用试剂具有一定危险性，对环境也会造成较大负担。因此，无机柔性器件仍有许多问题亟待解决，而使用有机材料代替无机功能层不失为一种直接可行的办法。

有机聚合物具有良好的柔韧性，与柔性基底结合更好，退火温度更低，加工方法更为安全简便。但是，现阶段的柔性有机器件，多直接制备在PET、PC、聚对二甲苯、聚酰亚胺等柔性衬底上，器件在很大程度上受限于基底，即只能弯曲，这极大限制了其应用范围。若要实现真正的可延展可扭曲，则必须通过极其复杂的剥离、转印步骤，和无机柔性器件的制备一样具有较高的加工难度和较大的危险性。此类方法需要较高的工艺技术，应用范围较窄，成本高昂。同时，多层复合薄膜功能器件由于其显著的多功能特性，具有巨大的发展前景，然而复合薄膜中层与层往往需要不同的微结构加工工艺，这使得复合薄膜的刻蚀加工与转印仍面临巨大挑战。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种可延展的屈曲结构有机薄膜功能器件及其制备方法，本制备方法操作简单有效，安全环保，成本低廉，灵活多变，加工温度低，应用范围广阔，并可用于多层复合功能薄膜柔性电子器件的制备。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可延展的屈曲结构有机薄膜功能器件，为三层结构，顶层为Au电极，中间层为有机功能层，底层为Au电极。所述有机功能层可以是根据应用需要的各种有机层，优先为P3HT/PVDF-TrFE、PVDF-TrFE、P3HT或PVDF-TrFE-CFE。

上述可延展的屈曲结构有机薄膜功能器件的制备方法，包括如下步骤：

（1）溶液配制：配制PVA和有机功能层溶液；

（2）牺牲层制备：在洁净的玻璃基片上，用旋涂法制备PVA层，旋涂转速1000~3000r/min，时间90~180 s，使得PVA层的厚度控制在200~400 nm。当厚度较薄时，会造成PVA膜不连续或限制其横向溶解速率，后续工艺无法进行；当厚度较厚时，表面平整度过差，不利于后续金属、功能层的制备，且后续水浴去除牺牲层时，PVA会有一定的残留，影响器件性能；