无掩模紫外光刻气相聚合导电聚合物的高分辨率图案化技术及其电致变色应用

这篇研究通过创新性无掩模紫外（UV）曝光系统，实现了导电聚合物聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：对甲苯磺酸盐（PEDOT:Tos）的高分辨率（8 μm）图案化，突破了传统掩模法的光学限制。研究揭示了材料扩散和总辐射剂量（而非曝光时间或辐照度）对薄膜性能的决定性作用，并展示了其在电致变色显示（electrochromic displays）中的稳定应用潜力，为动态可调器件开发提供了新思路。

　　

摘要

结合紫外辐射与气相聚合（VPP）技术，本研究开发了一种无掩模紫外曝光系统，直接在高分子基底上投影高分辨率图案。以PEDOT:Tos为模型材料，实现了约8 μm的最小特征尺寸，较传统掩模系统分辨率提升近一倍。研究发现，分辨率限制主要源于分子扩散等材料因素，而非光学系统。此外，薄膜性能由总辐射剂量（mJ cm^?2）而非曝光参数单独控制。图案化的PEDOT:Tos在电化学切换中表现出稳定且差异化的颜色变化，为高分辨率电致变色显示提供了新方案。

1 引言

导电聚合物（CPs）因其柔性、低成本及生物相容性成为研究热点。传统紫外-VPP图案化技术受限于掩模与基底的分离需求，导致分辨率下降。本研究通过无掩模系统规避了这一限制，同时探讨了氧化剂层（Fe(III):Tos与PEG-PPG-PEG共聚物）的紫外吸收特性对工艺的影响。

2 结果与讨论

2.1 掩模与无掩模系统的薄膜性能对比

实验表明，掩模系统的线宽偏差随掩模-基底距离增加而显著增大（图2a），而无掩模系统在相同剂量下偏差更低（图2b）。关键发现是：薄膜厚度（224—234 nm vs. 196—205 nm）和电导率（9—26 S cm^?1 vs. 480—590 S cm^?1）的调制仅取决于总吸收剂量，与曝光参数组合无关（图2c）。

2.2 无掩模系统的分辨率极限

1—5 μm设计线宽的图案化显示，实际线宽偏差随剂量增加（如2100 mJ cm^?2时偏差3 μm，8400 mJ cm^?2时6.5 μm）。延迟实验证实，氧化剂扩散是偏差主因（图3d-e），而光刻胶对比实验验证光学系统非限制因素。

2.3 电致变色行为

8 μm宽线条在2100 mJ cm^?2剂量下展现出稳定的电致变色切换（图4b），经2小时循环未退化（图4c）。光谱分析显示，紫外曝光区域电致变色调制范围减小（图4f-h），与氧化剂诱导的聚合物链结构变化一致。

3 结论

无掩模紫外-VPP技术通过消除掩模间距限制，将图案化分辨率提升至8 μm，同时揭示了材料扩散对工艺的根本影响。该技术为电致变色显示和梯度功能材料提供了新工具，未来可通过优化光源波长（如短波长紫外）和氧化剂配方进一步突破极限。

4 实验方法

氧化剂层由Fe(III):Tos与PEG-PPG-PEG共聚物旋涂制备，紫外曝光后通过EDOT气相聚合（50°C, 70 mbar, 30分钟）形成PEDOT:Tos薄膜。电化学测试采用三电极体系（0.1 M KCl电解液），结合原位显微光谱监测切换过程。

（注：全文严格依据原文数据及结论缩编，未添加非文献支持内容。）