计算流体力学模拟弯液面诱导涂布法中流体行为及其对有机半导体沉积影响的研究

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弯液面诱导涂布作为一种高效、低成本制备大面积有机电子器件的溶液加工方法受到了广泛关注。深刻理解弯液面中流体行为对有机分子晶体成核、生长的影响,对指导有机半导体薄膜的沉积,提高薄膜结晶质量具有至关重要的作用。为此,本文利用计算流体力学方法结合实验,系统地研究了弯液面诱导涂布法中溶液蒸发、流动和传热行为对有机半导体薄膜形貌与结晶质量的影响规律,具体如下:1.弯液面诱导涂布中溶剂组分对并苯类有机半导体薄膜沉积的影响我们基于多物理场有限元方法,针对弯液面中的物理过程,建立了涉及流动、传热、传质和组分输运的二维瞬态仿真模型,结合实验,系统研究了在40℃基底上弯液面诱导涂布过程中单一组分与双溶剂组分的流动情况及其对DiF-TES-ADT并苯类有机半导体薄膜沉积的影响。我们发现在单一的间二甲苯溶剂中,由于溶液与基底间存在较大的温度梯度,弯液面处的流动始终是受温度诱导的马兰戈尼(Marangoni)流动影响,沿着弯液面自下而上运动,这种流动带动了尖端处的溶质“逃离”本应沉积的区域,使得沉积薄膜出现裂缝和缺陷。之后我们研究了体积分数为1:4的邻二氯苯/间二甲苯的双溶剂体系,我们发现在0~0.02 s时间内,溶液内部依旧会受到温度引起的马兰戈尼流影响,导致流体沿弯液面向上流动;而在0.02s之后,随着间二甲苯蒸发出更多的蒸汽,组分分布变化加剧,导致弯液面前端流体受到组分浓度诱导的马兰戈尼流动影响,沿弯液面从上往下流动,组分渐渐开始抵消温度的影响;到0.7 s时刻时,温度分布对流动的影响与组分分布对流动的影响达到平衡;0.7 s后,组分分布对流动的影响占主导地位,使得弯液面前端处的流动彻底转变为组分分布诱导的马兰戈尼流,流体主要沿着弯液面从上往下流动。这种自上而下的流动可以有效帮助主体溶液中溶质向尖端处补充,增强了有机半导体分子向着接触线的质量传递,从而能够快速生成致密均匀的有机半导体晶态薄膜。我们通过对弯液面模型的研究发现了通过调整组分精准控制溶液内部流动的方法,为提高薄膜沉积质量提供了理论依据。2.弯液面诱导涂布中表面微通道对噻吩类有机半导体晶体成核与生长的影响我们以VOF(Volume of Fluid,流体体积法)方法为基础,设计了不同尺寸、不同润湿性和不同结构的三维矩形微通道仿真模型,并结合实验,系统地研究了浸润微通道涂布过程中弯液面的形状对C8-BTBT噻吩类有机半导体沉积阵列的影响。在通道尺寸方面,我们设计了不同宽度(2 μm,3 μm,5 μm,10 μm)和不同厚度(0.5 μm,1 μm,2μm,3 μm)的微通道仿真模型,发现减小宽度和增大厚度都能导致微通道内溶液受到的毛细作用增强,与空气的接触面积过大,影响了结晶的均匀性,因而需要尽量选择相对较宽且较薄的通道。但是,更宽的通道和更薄的厚度会带来重力作用的较大影响,使得弯液面前端更加细长,沉积的阵列更薄。因此,需要根据实验所需晶体的厚薄来调节通道的尺寸。在通道润湿性方面,我们先在理论模型中设计了几种不同接触角(3.5°、50°、90°和120°)的通道,发现更亲液的通道形成的弯液面曲率越大,“下凹”明显,推测溶质更易在亲液通道两侧沉积,对于疏液通道,溶质更倾向于往通道中心沉积,与实验结果相吻合。最后,为了探究不同通道结构的影响,我们设计了两步浸涂法,第一步将微通道浸涂后在通道两侧形成晶体阵列,此阵列在通道两侧构成新的小通道结构,第二步再次进行浸涂操作。模拟发现第二步弯液面尖端在小通道中形成更加细长的“溪流”,我们推测第二次结晶会沉积在小通道内部,与第一次沉积的溶质实现双层堆积结构,与实际实验相吻合。总的来说,通过对微通道不同尺寸、润湿性和结构的设计,我们实现了有机半导体在微通道中结晶生长的精确控制,并成功预测出不同参数影响下溶质在微通道中的结晶位置和质量,为浸润微通道涂布结晶法提供了理论与实验指导。
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