CN103757692B - 一种有序有机半导体单晶阵列薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有序有机半导体单晶薄膜阵列的制备方法；制备方法是先通过温度梯度法气相沉积或气相传输沉积经过可控生长制备出大尺寸、高长宽比的棒状单晶；再通过溶液超声分散、离心处理、漂浮分散、挤压排列、拉模，制备出大面积、有序排列的有机半导体单晶阵列薄膜；该方法制备的有机半导体单晶阵列薄膜可潜在应用于制备高性能的有机光电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种有序有机半导体单晶阵列薄膜的制备方法，属于有机光电子领域。
背景技术
有机电子具有诸多优点，如柔韧性、半透明性、重量轻、价格便宜、可大面积印刷加工等，使得有机电子表现出巨大的应用前景。有机单晶为研究为有机半导体材料和器件本质特性以及制备高性能的有机电子器件提供了可能性。斯坦福大学ZhenanBao和中科院化学所WengpingHu等分别采用溶液法和气相法制备出一系列的单晶和单晶器件（J.Am.Chem.Soc.2012,134,2760-2765;Adv.Mater.2006,18,65–68;Mater.Today,2007,10,20-27）。但是对于难溶性有机分子，如酞菁染料等，难以采用溶液法制备大尺寸的单晶，一般是通过气相传输沉积制备出线状或棒状单晶，而这些大量的线状或棒状单晶之间随意排列，只能通过挑选单根晶体来做器件，限制其应用范围。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种制备大尺寸和大高长宽比的棒状单晶有序排列的大面积有机半导体单晶薄膜的方法。
本发明提供了一种有序有机半导体单晶阵列薄膜的制备方法，该制备方法是将酞菁染料或卟啉先通过温度梯度法气相沉积或气相传输沉积进行可控生长得到长度不低于50微米，且长宽比不低于50的酞菁染料或卟啉棒状单晶；将所得酞菁染料或卟啉棒状单晶超声分散在非良性溶剂中得到悬浮液，所述悬浮液缓慢倾倒到水面上，待非良性溶剂挥发后，酞菁染料或卟啉棒状单晶漂浮分散在水表面；在水表面设置两根平行塑料棒将漂浮分散于水表面的棒状单晶夹在两塑料棒之间，对两塑料棒分别施加一个大小为5～25mN/m的压力，且两压力相向，对漂浮于溶剂表面的晶体进行挤压使它们取向排列，再通过垂直或平行拉模，即得。
所述的对称挤压优选在长方体容器中实现；将两根塑料棒平行于长方形容器的宽设置，所述塑料棒的长度与长方体容器的宽度相同，其中，两根塑料棒大小、长度相同、外表平整。
所述的酞菁染料为自由酞菁、酞菁铜、酞菁锌、酞菁铁、酞菁镍、酞菁铂、酞菁铬、酞菁氯铝、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铅、全氟酞菁铜、全氟酞菁锌、全氟酞菁铁或全氟酞菁镍。
所述的平行拉模是将基底浸入水中，沿水表面不大于15°的夹角方向以0.2～2mm/s的速度拉膜，使取向排列的棒状单晶负载于基底上成膜。
所述的垂直拉模是将基底垂直浸入水中，沿水表面垂直方向以0.2～2mm/s的速度拉膜，使取向排列的棒状单晶负载于基底上成膜。
所述的温度梯度法气相沉积的条件控制为：蒸发源的温度为酞菁染料或卟啉的升华温度；酞菁染料或卟啉的沉积生长温度为300℃～常温，所述沉积生长温度随着离蒸发源距离的增大而逐渐降低；生长腔体内压强为10-5～10-3Pa。
所述的气相传输沉积的条件控制为：蒸发源的温度为酞菁染料或卟啉的升华温度；酞菁染料或卟啉的沉积生长温度为300℃～常温，所述沉积生长温度随着离蒸发源距离的增大而逐渐降低；升华的分子在载气的作用下运动并沉积生长，载气的流量为50～300ccm，生长腔体内压强为10-1～10Pa。
所述的非良性溶剂为乙醇、异丙醇或丙酮。
所述的非良性溶剂的用量优选为5～10mg/mL。
所述悬浮液经过1～10次离心分离除去微小晶体，留下大尺寸晶体，再进行下一步操作。
本发明的有益效果：本发明首次采用酞菁染料或卟啉有机化合物通过温度梯度法气相沉积或气相传输沉积进行可控生长制备出大尺寸、高长宽比的棒状单晶；再结合漂浮分散、挤压排列、拉模等工艺，制备出有序排列的大面积有机半导体单晶阵列薄膜；通过本发明方法制得的酞菁染料或卟啉棒状单晶长度不低于50微米，长宽比不低于50，进一步得到的有序排列的有机半导体单晶阵列薄膜面积不少于1cm2，可应用于制备高性能的有机光电子器件。
附图说明
【图1】为实施例1对漂浮分散于水面上CuPc单晶进行对称压力挤压的示意图。
【图2】为实施例1制得的有序有机半导体单晶阵列薄膜放大4倍的光学显微镜形貌图。
【图3】是图2选择区域放大10倍的光学显微镜形貌图。
【图4】是图3选择区域放大20倍的光学显微镜形貌图。
具体实施方式
以下实施例是对本发明内容的进一步说明，而不是限制本发明的保护范围。实施例1
一、通过温度梯度法气相沉积，可生长制备出长度约1毫米，长宽比达到100的酞菁铜（CuPc）棒状单晶；蒸发源材料的升华温度设置在310℃，单晶的生长温度设置为常温；从蒸发源开始，形成一个温度梯度场，升华的分子在低于升华温度的区域开成核并生长；生长腔体内压强控制在10-5Pa～10-3Pa；
二、取出30毫克的CuPc单晶，分散于5毫升非良性溶剂乙醇中，并进行超声分散；
三、经过两次离心分离除去微小晶体，留下较大晶体；
四、在盛有大量水的长方形容器中，将离心分离后的CuPc单晶悬浮液缓慢倾倒于水的表面，并进行分散；等溶剂乙醇挥发完毕，CuPc单晶漂浮于水的表面；
五、对漂浮于水表面的CuPc单晶用一对平行、平整的塑料棒（塑料棒大小相同，长度相同，长度和长方形容器的宽相同）进行对称挤压，压力方向相向，压力制在8mN/m左右，使得CuPc单晶取向排列；图1对漂浮分散于水面上CuPc单晶进行对称压力挤压的示意图如图1。
六、进行平行拉模：将1cm×1cm二氧化硅基底从侧面浸入水中，与平面形成一个10°夹角，以1mm/s速度进行拉膜，可以获得1cm×1cm尺寸取向的单晶阵列薄膜；图2是采用此方法拉膜后放大4倍的光学显微镜形貌图；图3是图2选择区域放大10倍的光学显微镜形貌图；图4是图3选择区域放大20倍的光学显微镜形貌图，从图2～4中可以看出CuPc单晶薄膜中的晶体有序排列。
采用该方法制备的单晶排列方向基本一致，可控排列成所需的取向，形成了可控取向的单晶阵列薄膜。
实施例2
一、通过温度梯度法气相沉积，可生长制备出长度约0.9毫米，长宽比达到100的CuPc棒状单晶；蒸发源材料的升华温度设置在310℃，单晶的生长温度设置为80℃；从蒸发源开始，形成一个温度梯度场，升华的分子在低于升华温度的区域开成核并生长；生长腔体内压强控制在10-5Pa～10-3Pa；
二、取出35毫克的CuPc单晶，分散于5毫升非良性溶剂丙酮中，并进行超声分散；
三、经过三次离心分离除去微小晶体，留下较大晶体；
四、在盛有大量水的长方形容器中，将离心分离后的CuPc单晶悬浮液缓慢倾倒于水的表面，并进行分散；等溶剂丙酮挥发完毕，CuPc单晶漂浮于水的表面；
五、对漂浮于水表面的CuPc单晶用一对平行、平整的塑料棒（塑料棒大小相同，长度相同，长度和长方形容器的宽相同）进行对称挤压，压力方向相反，压力控制在20mN/m左右，使得CuPc单晶取向排列。
六、进行垂直拉模：将1.2cm×1.2cm二氧化硅基底垂直浸入水中，再以1mm/s速度进行垂直拉膜，可以获得1.2cm×1.2cm尺寸取向的单晶阵列薄膜。
采用该方法制备的单晶排列方向基本一致，可控排列成所需的取向，形成了可控取向的单晶阵列薄膜。
实施例3
一、通过温度梯度法气相沉积，可生长制备出长度约2.0毫米，长宽比达到120的酞菁铁（FePc）棒状单晶；蒸发源材料的升华温度设置在305℃，单晶的生长温度设置为常温；从蒸发源开始，会形成一个温度梯度场，升华的分子在低于升华温度的区域开成核并生长；生长腔体内压强控制在10-5Pa～10-3Pa。
二、取出30毫克的FePc单晶，分散于5毫升非良性溶剂异丙醇中，并进行超声分散。
三、经过五次离心分离除去微小晶体，留下较大晶体；
四、在盛有大量水的长方形容器中，将离心分离后的FePc单晶悬浮液缓慢倾倒于水的表面，并进行分散；等溶剂异丙醇挥发完毕，FePc单晶漂浮于水的表面。
五、对漂浮于水表面的CuPc单晶用一对平行、平整的塑料棒（塑料棒大小相同，长度相同，长度和长方形容器的宽相同）进行对称挤压，压力方向相反，压力控制在10mN/m左右，使得CuPc单晶取向排列。
六、进行平行拉模：将1cm×1cm载玻片基底从侧面浸入水中，与平面形成一个10°夹角，以1mm/s速度进行拉膜，可以获得1cm×1cm尺寸取向的单晶阵列薄膜。
采用该方法制备的大面积单晶排列方向基本一致，可形成了取向的单晶阵列薄膜。
实施例4
一、通过温度梯度法气相沉积，可生长制备出长度超过0.5毫米，长宽比达到50的全氟酞菁铜（F16CuPc）棒状单晶；蒸发源材料的升华温度设置在310℃，单晶的生长温度设置为常温；从蒸发源开始，会形成一个温度梯度场，升华的分子在低于升华温度的区域开成核并生长；生长腔体内压强控制在10-5Pa～10-3Pa。
二、取出20毫克的F16CuPc单晶，分散于3毫升非良性溶剂乙醇中，并进行超声分散。
三、经过三次离心分离除去微小晶体，留下较大晶体；
四、在盛有大量水的长方形容器中，将离心分离后的F16CuPc单晶悬浮液缓慢倾倒于水的表面，并进行分散；等溶剂乙醇挥发完毕，F16CuPc单晶漂浮于水的表面。
五、对漂浮于水表面的CuPc单晶用一对平行、平整的塑料棒（塑料棒大小相同，长度相同，长度和长方形容器的宽相同）进行对称挤压，压力方向相反，压力控制在15mN/m左右，使得CuPc单晶取向排列。
六、进行平行拉模：将1cm×1cm二氧化硅基底从侧面浸入水中，与平面形成一个10°夹角，以1mm/s速度进行拉膜，可以获得1cm×1cm尺寸取向的单晶阵列薄膜。
采用该方法制备的单晶排列方向基本一致，可控排列成所需的取向，形成了可控取向的单晶阵列薄膜。
Claims (8)
1.一种有序有机半导体单晶阵列薄膜的制备方法，其特征在于，将酞菁染料或卟啉先通过温度梯度法气相沉积或气相传输沉积进行可控生长得到长度不低于50微米，且长宽比不低于50的酞菁染料或卟啉棒状单晶；将所得酞菁染料或卟啉棒状单晶超声分散在非良性溶剂中得到悬浮液，所述悬浮液缓慢倾倒到水面上，待非良性溶剂挥发后，酞菁染料或卟啉棒状单晶漂浮分散在水表面；在水表面平行设置两根塑料棒将漂浮分散于水表面的棒状单晶夹在两塑料棒之间，对两塑料棒分别施加一个大小为5～25mN/m的压力，且两压力相向，对漂浮于溶剂表面的晶体进行挤压使它们取向排列，再通过垂直或平行拉模，即得；所述的平行拉模是将基底浸入水中，沿水表面不大于15°的夹角方向以0.2～2mm/s的速度拉膜，使取向排列的棒状单晶负载于基底上成膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的挤压是在长方体容器中实现；将两根塑料棒平行于长方体容器的宽设置，所述塑料棒的长度与长方体容器的宽度相同，其中，两根塑料棒大小、长度相同，外表平整。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的酞菁染料为自由酞菁、酞菁铜、酞菁锌、酞菁铁、酞菁镍、酞菁铂、酞菁铬、酞菁氯铝、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铅、全氟酞菁铜、全氟酞菁锌、全氟酞菁铁或全氟酞菁镍。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的垂直拉模是将基底垂直浸入水中，沿水表面垂直方向以0.2～2mm/s的速度拉膜，使取向排列的棒状单晶负载于基底上成膜。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的温度梯度法气相沉积的条件控制为：蒸发源的温度为酞菁染料或卟啉的升华温度；酞菁染料或卟啉的沉积生长温度为300℃～常温，所述沉积生长温度随着离蒸发源距离的增大而逐渐降低；生长腔体内压强为10-5～10-3Pa。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的气相传输沉积的条件控制为：蒸发源的温度为酞菁染料或卟啉的升华温度；酞菁染料或卟啉的沉积生长温度为300℃～常温，所述沉积生长温度随着离蒸发源距离的增大而逐渐降低；升华的分子在载气的作用下运动并沉积生长，载气的流量为50～300ccm，生长腔体内压强为10-1～10Pa。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的非良性溶剂为乙醇、异丙醇或丙酮。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮液经过1～10次离心分离除去微小晶体后再进行下一步操作。
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Non-Patent Citations (2)
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| Ordered nanocolumn-array organic semiconductor thin films with controllable molecular orientation;Bingchu Yang,et al.;《Applied Surface Science》;20130916(第286期);104-108 * |
| 一维有机纳米结构的有序及图案化生长;张成义;《中国博士学位论文全文数据库工程科技I辑》;20080916(第10期);1-98 * |
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