一种柔性且透明的导电聚合物聚吡咯图案化方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性且透明的导电聚合物聚吡咯图案化方法及其应用。本发明专利技术提供的基于衬底的图案化聚吡咯的制备方法包括如下步骤：提供表面连接有羟基的衬底；在衬底的表面通过光刻形成图案化的光刻胶，其中衬底表面上未覆盖所述图案化的光刻胶的空白部分构成所设计的导电聚合物聚吡咯的图案；通过空白部分连接的羟基在空白部分修饰N‑(3‑三甲氧基硅丙基)吡咯；通过空白部分修饰的N‑(3‑三甲氧基硅丙基)吡咯采用化学氧化法在所述空白部分合成聚吡咯；去除光刻胶即可。本发明专利技术在衬底上形成图案化聚吡咯的方法中，衬底以及图案化聚吡咯均具有良好的柔性及透过性；可在室温下操作，图案化过程中溶液处理不会对电极导电性造成影响。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性且透明的导电聚合物聚吡咯图案化方法及其应用
本专利技术属于有机电子领域，尤其涉及一种基于柔性衬底的图案化聚吡咯及其制备方法与应用。
技术介绍
自1976年导电聚合物专利技术以来，因其具有良好的稳定性，较高的导电率，以及易于合成等优势(SyntheticMetals1987,17,223,SyntheticMetals1997,84,27；Small2011,7,1949)，展现出能够代替金属或者半导体的潜力。导电聚合物在发光二极管、聚合物电致变色器件、有机场效应晶体管、传感器、生物技术等领域内有着广泛的应用。典型的导电聚合物主要有：聚苯胺，聚乙炔，聚噻吩，聚吡咯等。聚吡咯作为其中的一种，拥有着卓越的稳定性、较高的导电能力、较好的光学透过性以及易于合成的优势，不过使其能够应用于以上各类器件的先决条件是需要专利技术一种导电聚合物的图案化方法，这种图案化方法能够应该拥有以下特性：低成本，大面积，可大规模生产，具有较高的分辨率，可以适用于各类衬底，以及不会破坏导电聚合物的本征特性。然而大多数导电聚合物具有不熔化不溶解的特性，这使得图案化工作变得非常困难。为了实现导电聚合物的图案化，目前有几个研究组已经在这方面已经做了一些工作。例如Mirkin课题组通过“浸蘸笔纳米加工刻蚀技术”在半导体表面进行了图案化导电聚合物的装配(AdvancedMaterials2002,14,1474)。李立强及其同事使用了“AFM探针划擦”的方法进行了导电聚合物PEDOT:PSS的图案化，并且将其应用于场效应晶体管源漏电极的构造(AdvancedMaterials2010,22,1374)。虽然这些方法均可实现导电聚合物的图案化，但仍未能达到低成本及大规模生产。董斌及其同事使用“纳米压印”的方法进行了导电聚合物图案化制备并应用于气体传感器(AdvancedFunction.Materials2006,16,1937)。与之前提到的方法相比，“纳米压印”成本较低，可大面积制备图案化的导电聚合物阵列，因此可以进行大规模生产。然而图案化过程中需要在高温条件下进行，即需要用高温模板对衬底进行压印，因而使得其仅仅能够应用于耐高温的硬性衬底，如玻璃衬底及较为昂贵的硅及二氧化硅衬底，这就制约了这类方法在柔性电子学的应用。BoseokKang及其同事使用“毛细管笔印刷”的方法进行了基于柔性衬底PET的PEDOT:PSS的图案化，并将其应用于有机场效应晶体管的源漏栅极(AdvancedElectronicMaterials2015,1,1500301)。然而这种方法由于必须依托于毛细管笔，所以无法制备高精度图案化导电聚合物阵列。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于柔性衬底的图案化聚吡咯及其制备方法与应用，该方法利用光刻技术制备图案化聚吡咯，具有制备方法简单、低成本、大面积、可大规模生产、高精度、图案化过程不损伤导电聚合物的导电性的特点，可制备透明柔性电极且适用于柔性衬底，本专利技术也可适用多种传统的硬性衬底。本专利技术提供的一种基于多种衬底的图案化聚吡咯的制备方法，包括如下步骤：(1)提供表面连接有羟基的衬底；(2)在步骤(1)中所述衬底的表面通过光刻形成图案化的光刻胶，其中，所述衬底表面上未覆盖所述图案化的光刻胶的空白部分构成所设计的导电聚合物聚吡咯的图案；(3)通过步骤(2)中所述空白部分连接的羟基在所述空白部分修饰N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯；(4)通过步骤(3)中所述空白部分修饰的N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯采用化学氧化法在所述空白部分合成聚吡咯；(5)去除光刻胶即可得到所述基于衬底的图案化聚吡咯。上述的方法，步骤(1)中，所述衬底可为柔性衬底或硬性衬底；所述柔性衬底可为PET衬底或硅酮树脂衬底；所述硬性衬底可为Si衬底、SiO2衬底或玻璃衬底。当所述衬底为所述PET衬底或所述硅酮树脂衬底时，可采用等离子体处理的方法在其表面连接羟基。所述等离子体处理的条件如下：时间可为0.5～1min，具体可为1min；功率可为50～90W，具体可为90W；处理气氛可为氧气气氛；真空度可为30～40Pa，具体可为34pa；氧气流速可为5～10sccm，具体可为7sccm。当所述衬底为所述Si衬底时，可采用食人鱼溶液处理的方式在其表面连接羟基。所述食人鱼溶液处理的步骤如下：将所述Si衬底清洗干净之后静置于食人鱼溶液(piranha溶液，体积比为7：3的质量浓度为95％～98％的浓硫酸与质量浓度为30％双氧水的混合溶液)中，将衬底取出，水洗后干燥，即可得到表面连接有羟基的Si衬底。当所述衬底为SiO2衬底，由于其表面拥有足够多的羟基，因此不需要额外处理(由热氧化法制备)。上述的方法，(2)中，所述光刻的步骤可为常规的光刻步骤，具体可如下：2-1)在步骤(1)中所述衬底的表面旋涂一层光刻胶，烘干；2-2)将紫外光透过掩膜版对经过步骤1)处理的衬底上的光刻胶进行曝光；2-3)将经过步骤2)处理的光刻胶置于显影液中进行显影；2-4)对经过步骤3)处理的衬底进行定影；2-5)去除经步骤4)处理的衬底上残留的光刻胶，即可得到所述图案化的光刻胶。上述的光刻步骤中，所述光刻胶可为正胶或负胶；在本专利技术的具体实施例中，所述光刻胶可为正胶，如AZ5214E光刻胶，步骤2-2)中所述掩膜版的图案与所述图案化的光刻胶的图案相同，且步骤2-3)中经过所述显影后所述衬底上经过紫外光照射的光刻胶被溶解。步骤2-1)中，所述光刻胶可为AZ5214E或5200N；所述烘干的温度具体可为100℃，时间具体可为5分钟。步骤2-2)中，所述紫外光的波长具体可为365nm；所述曝光的时间具体为8s～15s，具体为10s。步骤2-3)中，所述显影的时间可为12～60s；具体地，所述PET衬底的显影时间具体可为24s；所述硅酮树脂衬底的显影时间具体可为12s；所述SiO2衬底的显影时间具体可为50s；所述Si衬底的显影时间具体可为60s；所述显影液具体可为AZ400K。步骤2-4)中，所述定影的时间具体可为30～60s，具体为60s；所述定影液可为去离子水。步骤2-5)中，所述除去残留的光刻胶可通过等离子体处理进行；所述等离子处理的条件可如下：时间可为0.5min～1min，具体为0.5min；功率可为30W～80W，具体为40W；处理气氛可为氧气气氛；真空度可为30～40Pa，具体为34Pa；氧气流速可为6～9sccm，具体为7sccm，后续的氧等离子体处理同时也能保证足够多的羟基来连接N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯。上述的方法，步骤(3)中，所述修饰N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯的方法可采用气相修饰法，具体步骤可如下：在真空条件下，所述空白部分连接的羟基与N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯反应，即可在所述空白部分修饰N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯；所述衬底(等离子体处理或食人鱼溶液处理)上均匀地连接羟基，而N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯是通过气相修饰的方法修饰到衬底，能够均匀的形成单分子层，因此两者的用量可以实验控制；所述反应的温度可为65～75℃，具体可为72℃；时间可为180～200min，具体可为190min。上述的方法，步骤(4)中，所述化学氧化法的步骤如下：在氯化铁存在的条件下，吡咯聚合形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于衬底的图案化聚吡咯的制备方法，包括如下步骤：(1)提供表面连接有羟基的衬底；(2)在步骤(1)中所述衬底的表面通过光刻形成图案化的光刻胶，其中，所述衬底表面上未覆盖所述图案化的光刻胶的空白部分构成所设计的导电聚合物聚吡咯的图案；(3)通过步骤(2)中所述空白部分连接的羟基在所述空白部分修饰N‑(3‑三甲氧基硅丙基)吡咯；(4)通过步骤(3)中所述空白部分修饰的N‑(3‑三甲氧基硅丙基)吡咯采用化学氧化法在所述空白部分合成聚吡咯；(5)去除光刻胶即可得到所述基于衬底的图案化聚吡咯。

【技术特征摘要】
1.一种基于衬底的图案化聚吡咯的制备方法，包括如下步骤：(1)提供表面连接有羟基的衬底；(2)在步骤(1)中所述衬底的表面通过光刻形成图案化的光刻胶，其中，所述衬底表面上未覆盖所述图案化的光刻胶的空白部分构成所设计的导电聚合物聚吡咯的图案；(3)通过步骤(2)中所述空白部分连接的羟基在所述空白部分修饰N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯；(4)通过步骤(3)中所述空白部分修饰的N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯采用化学氧化法在所述空白部分合成聚吡咯；(5)去除光刻胶即可得到所述基于衬底的图案化聚吡咯。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述衬底为柔性衬底或硬性衬底；所述柔性衬底为PET衬底或硅酮树脂衬底；所述硬性衬底为Si衬底、或SiO2衬底。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述衬底为所述PET衬底或所述硅酮树脂衬底时，采用等离子体处理的方法在所述PET衬底或所述硅酮树脂衬底的表面连接羟基；当所述衬底为所述Si衬底时，采用食人鱼溶液处理的方式在所述Si衬底表面连接羟基。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述光刻的步骤如下：2-1)在步骤(1)中所述衬底的表面旋涂一层光刻胶，烘干；2-2)将紫外光透过掩膜版...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤庆鑫，刘益春，赵晓丽，赵鹏飞，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22