高通量喷墨打印技术在印刷电子中的应用

高通量喷墨打印技术在印刷电子中的应用

喷墨打印技术拥有众多优点,如非接触式打印,最节省材料、低成本、适用范围广、操作简单等,是印刷电子领域中极具前景的制备技术,目前已经广泛应用于制备有机或无机二极管、晶体管、聚合物发光二极管、薄膜晶体管、有机太阳能电池等等。然而,如果使用喷墨打印技术制备出性能优异的器件,需要对材料以及整个制备过程中的各种因素进行优化,其工作量巨大,而且由于成本、人力、时间以及仪器等条件的限制,人们往往只能在十分有限的条件下进行,容易错失获得新发现和最优结果的机会。采用高通量筛选技术,则可以全面、经济、高效的获得最优结果,加速研发过程。
样品制备是高通量筛选中最关键的一步,而采用喷墨打印技术进行高通量样品制备则更具挑战。德国 microdrop 公司拥有优异的喷墨打印技术,该技术能稳定地分配超微量液滴,且适用于多种不同材料。同时创新地将喷墨打印技术整合于移液管式喷头之中,能对基于 96 微孔板中的溶液进行全自动地吸取、打印、回收等操作。其配置高精度的定位系统及采用行进中点样模式,能对多种溶液实现精准、快速地打印,从而制备高品质的高通量样品。
在本应用中,我们将以聚合物电致发光二极管 (PLED)、有机太阳能电池 (OPV) 为例来介绍如何通过 microdrop Professional 喷墨打印平台进行高通量的筛选研究。
高通量喷墨打印技术

进行高通量筛选,有三个基本要素需要满足,分别是建立模型、制备高通量样品和分析样品,其中,全自动高通量样品制备最为关键。

将鼠标移至相应区域,可以查看各要素的内容和要求。

    

图 1:高通量筛选三大要素

 
工作流程

下面是利用 microdrop Professional 喷墨打印平台进行高通量样品制备及筛选的流程,请移动鼠标至相应区域,查看示例。

        

在上面的流程图中,我们需要对多种不同溶液 (A – Z) 进行喷墨打印。如果使用传统的喷墨打印平台,需要手动地清洗喷头、更换溶液、重新定位等操作,效率低且浪费材料,不适合制备高通量样品,而 microdrop Professional 喷墨打印设备有以下优点,是进行全自动高通量样品制备的理想平台。

特点描述
多通道可同时使用多达 8 个喷头
移液管式喷头基于 96 微孔板,可进行溶液更换、打印、回收、以及喷头清洗,可以一次性打印多种溶液
超微量分配液滴直径低至 30 微米,体积小至 20 皮升,节省材料
高精度定位定位精度:±5μm;重复定位精度:±1μm,保证样品制备效果
分配稳定性好液滴大小变化小于 ±1%,保证样品制备效果
行进中点样能快速地、精准地点样
全自动点样通过软件控制,可实现全自动点样
操作简单气压调节、参数调节、以及喷头清洗,简单方便

PLED 案例

聚合物发光二极管拥有众多优点,如自发光、能耗低、重量轻、视角广、响应速度快、图像质量高等,因此被广泛地应用在显示和照明领域,是印刷电子中发展极其迅速且前景巨大的一个领域。然而,考虑到成本、大尺寸、全彩化等因素,如果用传统制备技术进行 PLED 器件生产,则受到极大的限制,而喷墨打印技术,不仅有望解决这些问题,还可以用来打印 PLED 器件的阳极、阴极以及 TFT 结构,是 PLED 领域理想的制备技术。

用喷墨打印技术制备均匀稳定、发光效率高的 PLED 薄膜,需要对众多影响薄膜质量和性能的参数进行筛选优化 (图 2)。

图 2:对各种参数进行筛选优化

在此方案中1 & 2,研究者合成了红绿蓝三种聚合物发光材料 (图 3),分别是PPV-PPE,PPV和PFP。将这三种聚合物发光材料溶解于特定的有机溶剂中,然后进行喷墨打印,干燥后即可成膜。研究者详细研究了有机物浓度、溶剂种类、混合溶剂的沸点差别、混合溶剂的配比、打印间距、衬底温度等因素对薄膜均匀性的影响 (图 4),并筛选出最优的参数以获得均匀的薄膜 (图 5)。

红光材料:PPV-PPE
绿光材料:PPV
蓝光材料:PFP

 

图 3:使用的红,绿和蓝光材料

 

图 4:在不同条件下打印的 PLED 膜

图 5:组合筛选得到均匀的 PLED 薄膜

参考文献

【1】 A. Teichler, et al., European Polymer Journal 49, 2186-2195, (2013).
【2】 A. Teichler, et al., Thin Solid Films 519, 3695-3702 (2011).

OPV 案例

有机太阳能电池因为其成本低廉、工艺简单、对环境污染小、且可用来制备成柔性电池,受到广泛的青睐。目前来看,混合异质结型有机太阳能电池可获得较高的光电转换效率。所谓混合异质结,即是将电子给体材料和受体材料混合起来制备而成的薄膜。要获得光伏性能优异的有机太阳能电池,需要对制备材料进行筛选优化,以得到能隙低、吸收光谱宽的薄膜。

利用 microdrop Professional 喷墨打印平台,可以很方便地对聚合物、聚合物的组合、制备条件等因素进行高通量筛选,并得到最优的结果。在此方案中3,研究者通过高通量筛选方法,详细考察了三种共轭聚合物与 PCBM 在不同混合条件下对光谱吸收及形成薄膜表面平整度的影响,获得了最优的混合组成,使其薄膜有最好的光伏性能。

图 6:使用的三种共轭聚合物和PCBM

 

最优混合组成的组合筛选过程

(1)PCBM 是很好的电子受体材料,在有机太阳能电池中经常用到,所以首先需要考察不同聚合物与其混合后的表面形态。通过对喷墨打印的薄膜进行原子力显微镜 (AFM) 表征,发现 P1 和 PCBM 混合,其粗糙度大,不利于电子的输运,而 P2、P3、或 P2/P3 与 PCBM 混合则可以得到均匀平整的薄膜,所以选择共轭聚合物 P2、P3 与电子受体材料 PCBM 进行混合

图 7:P1、P2、P3、P2/P3 与 PCBM 混合后制备而成的薄膜的 AFM 表征图像

(2)P2、P3 有各自的吸收光谱,互相混合可以扩展吸收光谱,提高光电效率。将 P2/P3 按不同比例的混合,然后测量薄膜的吸收光谱,发现 P2/P3 按 4/6 比例混合有最佳的吸收光谱

图 8:P2/P3 在不同混合比例下的吸收光谱图

(3)将P2/P3 在 4/6 固定比例下与 PCBM 进行不同比例的混合,然后测量薄膜的吸收光谱和发光强度 (间接反映电子-空穴复合几率),发现 P2/P3/PCBM 按4/6/30 混合可得到最优的吸收光谱和最低的发光强度

图9:P2/P3 在4/6 固定比例下与 PCBM 不同比例混合后的吸收光谱及发光强度图

(4)优化结果:P2/P3/PCBM 按4/6/30 的比例混合可以得到性能最优的太阳能薄膜

参考文献

【3】 A. Teichler, et al., ACS Comb. Sci. 15, 410-418 (2013)

工作站
  • Microdrop Professional
移液管式喷头
  • AD-K-501
  • AD-K-901

结论

使用 microdrop Professional 喷墨打印平台进行高通量样品的全自动制备,然后进行高通量筛选,可以更经济、更高效地得到最优结果。事实上,其应用不仅仅局限于印刷电子领域,对于材料种类多、参数多、组合多等工作量巨大的研究,如药物筛选、生物科技、材料研究等,都可以用它来进行高通量筛选,加速研究进程。

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