用于有机光电子器件老化测试的3D打印腔室

摘要

本文介绍了一种简单且多功能的3D打印可控气氛室的设计、制造及使用方案，可用于对空气敏感的有机光电子器件进行光学和电学表征。

摘要

本文中，我们概述了一种利用3D打印技术制造小型、便携、易于使用的有机及钙钛矿光电子器件用大气环境腔室的方法。由于此类器件对水分和氧气敏感，该腔室有助于研究人员表征其电子性能和稳定性。该腔室旨在作为临时、可重复使用且稳定的环境，其环境参数（包括湿度、气体引入和温度）可控。该腔室可用于保护对空气敏感的材料，或以受控方式使其暴露于污染物中以进行降解研究。为表征腔室性能，我们介绍了一种利用标准湿度传感器测量相对湿度来确定水蒸气透过率（WVTR）的简单方法。该标准操作流程采用50%填充密度的聚乳酸（PLA）材料，所制得的腔室可在数周内使用而不会导致器件性能显著下降。该腔室具有良好的通用性和易用性，可适配于任何需要紧凑可控气氛的表征条件。

引言

基于π-共轭半导体有机分子和有机金属卤化物的有机及钙钛矿光电子器件、太阳能电池和发光二极管是当前快速发展的研究领域。有机发光二极管（OLED）已成为照明和显示技术中的重要组成部分¹，而有机光伏器件的效率也已逐步提升，开始具备与非晶硅相竞争的能力²。近年来，钙钛矿基器件在光吸收和发光应用方面取得了迅速进展^3,4,5，表明这类低成本、易于加工的器件有望很快实现广泛应用。然而，所有这些技术都对大气中的污染物（尤其是水分和氧气）具有敏感性，从而限制了其有效使用寿命^6,7,8,9。

对于研究此类系统的科研人员而言，拥有一个可调节、易于使用、便携且可重复使用的腔室非常有用，既可以保护这些敏感材料，也可以以受控方式使其暴露于污染物中^10,11....

方案

1. 3D 打印腔室部件

注意：所有打印机准备、切片软件设置和打印参数均针对材料表中指定的打印机。3D 打印机种类繁多，每种打印机都有其特定的准备步骤和最佳参数。用于打印部件的聚合物线材也可有多种颜色选择。各部件无需使用相同的塑料材料。

1. 根据所需的腔室构型选择相应的 .stl 文件。
   注意：这些构型在图1中有详细说明，并附有一个完整腔室构型的爆炸视图。
2. 设置切片软件，将 .stl 文件转换为打印机可读的 .gcode 文件。
   1. 下载材料表中列出的切片软件。
   2. 通过选择其他选项，找到正在使用的打印机型号。
   3. 进入设置 > 打印机 > 管理打印机 > 机器设置，并按照图2所示更改设置。
3. 使用切片软件，根据用户所需的参数将 .stl 文件转换为 .gcode 文件。
4. 将转换后的 .gcode 文件保存至SD卡，并插入3D打印机中。

结果

电流-电压测量：

该腔室设计用于测试对空气敏感的二极管器件，例如有机或钙钛矿太阳能电池或发光二极管。它可作为可重复使用的临时封装装置，也可用于引入污染物以进行受控的降解测试。图中所示的电流密度-电压（JV）曲线是在暗态条件下，通过将ZIF测试板连接至SMU进行测量得到的即，无光照）和光照条件下的数据，以提取基本的二极管特性。通过将腔室的接触针脚连接至ZIF板，可对每个像素进行独立寻址。在下方示例数据中，使用了标准底部腔室（无气体进出口），该腔室由50%密度的PLA塑料打印而成，用于测试采用6像素配置的有机太阳能电池。在这些有机器件中，“像素”指可利用测量装置单独测量的各个二极管。使用所提供的Python程序进行 IV 测量代码 文件夹（位于 补充信息），从器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al的有机器件中获取了.......

讨论

重现本实验的关键步骤包括：打印腔室时需避免出现裂纹、缝隙或填充不良等问题，这些问题会降低水蒸气透过率（WVTR）；通过拧紧KF50夹具实现上下腔室之间的完全密封，以防止水分和氧气进入；在引线端子或任何贯穿部件周围使用适用于真空环境的低压环氧树脂，以防止泄漏；并通过正确安装O型圈并利用固定环上的紧固螺丝施加足够压力，在样品与上腔室之间形成有效密封，防止泄漏的同时避免样品破裂。O型圈应完全嵌入沟槽中，不得有毛刺或颗粒污染，且其截面应被压缩15–25%以实现充分密封¹⁰。在将引线端子连接至腔体时也需格外小心，既要确保良好的电接触，又要防止氧气和水分通过低压环氧树脂区域渗入。选用标称为适用于真空密封的环氧树脂即可提供足够的密封效果。应将引线端子连接至测量电路板，以尽量减少IV测量过程中的串联电阻损耗。使用前，应将腔室置于惰性环境（如手套箱）中至少存放24小时，以确保腔室材料所吸附的水分有足够时间逸出。如果腔室在开放实验室环境中于常温下存放超过数天，则此步骤尤为重要。不建议加热腔室以加速脱气过程，以免导致腔壁软化或腔体结构塌陷。

在重复本实验时.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ORION DELTA 台式 3D 打印机 RTP	SeeMeCNC	87999	报告中名称： 3D 打印机
1.75 mm PLA 耗材	SeeMeCNC	50241	报告中名称： PLA
Somos® WaterShed XC 11122 腔室	Somos	在多伦多 Custom Prototypes 公司打印	https://www.dsm.com/products/somos/en_US/products/offerings-somos-water-shed.html 报告中名称： 防水聚合物
CURA	CURA		https://ultimaker.com/en/products/cura-software 报告中名称： 切片软件
带 600° F 烙铁头的电烙铁	Weller	WTCPT
Xtralien X100 源测量单元	Ossila	E561	报告中名称： SMU
用于像素化阳极基底的 ZIF 测试板	Ossila	E221	报告中名称： 零插入力/ZIF 测试板；
BNC 电缆
通用 USB A - B
通用 USB A - Micro
#12 O 型圈			来源未知 报告中名称： o-ring
116 丁基 O 型圈	Global Rubber Products	116 VI70	店内购买 报告中名称： o-ring
卡环	McMaster	NA	内部 3D 打印
底腔	McMaster	NA	内部 3D 打印
顶腔	McMaster	NA	内部 3D 打印
KF50 铸造夹具（铝制）	Kurt J. Lesker	QF50-200-C
KF50 中心定位环（铝制）	Kurt J. Lesker	QF50-200-BRB
Sn60/Pb40 焊料	MG Chemicals	4895-2270
#4-40 x 3/16" 机械螺钉			五金商店
#4-40 内螺纹黄铜锥形单叶片嵌件（用于热塑性材料）	Fastenal	11125984	Fastenal 要求与公司/大学关联 报告中名称： #4-40 黄铜锥形螺纹嵌件
Varian Torr Seal 真空设备高真空环氧树脂	Vacuum Products Canada Inc.		报告中名称： 低压环氧树脂
Smiths Interconnect/IDI 接触探针 带头圆顶型	Mouser Electornics	818-S-100-D-3.5-G	报告中名称： pogo pin
Smiths Interconnect/IDI 接触探针 插座焊杯	Mouser Electornics	818-R-100-SC	报告中名称： 焊杯
1/4" 聚四氟乙烯管			五金商店
聚四氟乙烯胶带			五金商店
1/4" 管 x 1/8" 雄性 NPT 镀镍黄铜推入式连接器	Fastenal	442064	并非本研究中使用的同款，但功能等效 报告中名称： 推入式气动连接器
1/8" NPT 丝锥和 T 型扳手			五金商店
1/4" 管推入式手动操作阀门	Fluidline	7910-56-00	报告中名称： 手动操作推入式连接阀门
Adafruit DHT22 湿度传感器（小型）	Digi-Key	385	报告中名称： 内部湿度传感器
Adafruit DHT22 湿度传感器（大型）	Digi-Key		报告中名称： 外部湿度传感器
Arduino Uno	Arduino
手套箱环境
10 kOhm 电阻
Oscilla Xtralien 科学 Python 集成开发环境	Oscilla		https://www.ossila.com/pages/xtralien-scientific-python 报告中名称： Python IDE