CN108365104A - 一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料 - Google Patents

一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体材料技术领域，提供了一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料的设计及实现方法。该发明可以在保持有机半导体材料溶液法制备，柔性可折叠等诸多优势的前提下，通过在有机半导体材料中引入无机纳米晶体，在特定波长范围光照下，可以增加有机半导体材料中的电子浓度、大幅提高其电导率。本发明可以分别通过改变有机半导体材料和无机纳米晶体质量比例，或者改变照射光子的能量及通量，来实现对有机/无机杂化n型半导体薄膜材料电学特性的调制。

Description

一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料的设计及实现。
背景技术
有机半导体材料是具有半导体性质的有机材料。与无机半导体材料相比，其具有很多优势，如薄膜制备工艺简单廉价；器件尺寸更小，集成度更高；器件可实现柔性，可折叠等。有机半导体材料已经在有机发光二极管、有机传感器、有机太阳电池等众多领域得到了广泛的应用。众所周知，无机半导体材料可以通过掺杂的方式来改变材料内部载流子浓度以及材料费米能级，从而实现对材料电学特性的调制。然而有机半导体材料的光电特性主要取决于构成材料本身的分子特性，很难通过掺杂方式来实现其电学特性的调制。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，通过在有机半导体材料中引入无机纳米晶体制备有机/无机杂化半导体材料，进而实现对材料电学特性的调制。本发明将利用无机纳米晶体的光吸收特性，实现其对特定波长范围内光子的吸收，进而在无机纳米晶体内部激发光生电子空穴对；在此基础上借助无机纳米晶体与有机半导体材料之间的能级失配，将光生空穴限制在无机纳米晶体内部，而光生电子则从无机纳米晶体注入至有机半导体材料，从而增加有机半导体材料中的电子浓度、大幅提高材料的电导率。本发明可以分别通过改变有机半导体材料和无机纳米晶体质量比，或者改变照射光子能量及通量，来实现对有机/无机杂化n型半导体薄膜材料电学特性的调制。
本发明的技术方案：
一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体材料，由有机半导体材料和无机纳米晶体以一定质量比均匀混合，后经过旋涂、提拉、喷涂或刮涂等工艺制备薄膜。
所述有机半导体材料可以为任何n型有机半导体材料。
所述无机纳米晶体可以为任何形状且尺寸在2-100纳米范围内的无机纳米晶体。
所述有机半导体材料可以与所述无机纳米晶体以任何质量比均匀混合。
所述有机半导体材料与所述无机纳米晶体能带之间形成I型能级排列，即，无机纳米晶体导带(Ec)能量要高于有机半导体材料最低未占分子轨道(LUMO)能量，并且，无机纳米晶体价带(Ev)能量要高于有机半导体材料最高占据分子轨道(HOMO)能量。
所述特定波长范围可以为任意波长范围。
所述光照强度为任意光照强度。
所述有机/无机杂化n型半导体薄膜材料厚度可以为任意厚度。
本发明的优点和积极效果：
通过在有机半导体材料中引入无机纳米晶体，可以实现对有机/无机杂化半导体材料电学特性的调控。
通过改变有机半导体材料和无机纳米晶体质量比，可以改变有机半导体材料中的电子浓度、电导率等电学参数。
通过改变照射光子能量及通量，可以改变有机半导体材料中的电子浓度、电导率等电学参数。
本发明有机/无机杂化n型半导体材料可以保持有机半导体材料的诸多优势，如，溶液法制备，柔性可折叠等。
【附图说明】
图1是本发明基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料的结构示意图。
图2是基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料在光照情况下的工作示意图。
图3是基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料在光照情况下的能带原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
一种基于硅量子点的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料，结构如图1所示。其中无机纳米晶体为尺寸6纳米左右的硅量子点；有机半导体材料为PC61BM。硅量子点的导带能级位置为-4.0电子伏，价带能级位置为-5.1电子伏；PC61BM有机半导体材料的最低未占分子轨道能级(LUMO)位置为-4.3电子伏，最高占据分子轨道能级(HOMO)位置为-6.0电子伏。能级排列为典型的I型能级排列。
该实施例中有机/无机杂化n型半导体薄膜材料的制备步骤如下：
1）将硅量子点与PC61BM分别以0:1(纯PC61BM); 0.2:0.8; 0.4:0.6; 0.5:0.5; 0.6:0.4的质量比混合并均匀分散于氯苯溶剂中，溶液浓度为15 mg/ml；
2）将配制溶液室温搅拌24小时；
3）以旋涂的方式在衬底表面制备薄膜，并在100摄氏度下退火10分钟。薄膜厚度为100纳米左右。
应用结果显示：暗场测试下，硅量子点与PC61BM质量比为0:1; 0.2:0.8; 0.4:0.6; 0.5:0.5; 0.6:0.4的薄膜电导率分别为8.1E-8 S cm-1; 5.2E-7 S cm-1; 3.0E-6 Scm-1; 1.8E-5 S cm-1; 4.3E-7 S cm-1。在波长为950纳米，光强为100 mW cm-2的光照条件下，薄膜电导率分别增加至：8.1E-8 S cm-1; 1.8E-6 S cm-1; 6.3E-4 S cm-1; 1.6E-2S cm-1; 7.4E-4 S cm-1。在硅量子点与PC61BM质量比为0.5:0.5的样品中，如果进一步将光强增加至100 mW cm-2，薄膜电导率将提升至0.48 S cm-1，在光照情况下电导率实现了~27000倍的增加。
实施例2：
一种基于硫化铅量子点的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料，结构如图1所示。其中无机纳米晶体为尺寸3纳米左右的硫化铅量子点；有机半导体材料为PC61BM。硫化铅量子点的导带能级位置为-3.7电子伏，价带能级位置为-5.0电子伏；PC61BM有机半导体材料的最低未占分子轨道能级(LUMO)位置为-4.3电子伏，最高占据分子轨道能级(HOMO)位置为-6.0电子伏。能级排列为典型的I型能级排列。
该实施例中有机/无机杂化n型半导体薄膜材料的制备步骤如下：
1）将硫化铅量子点与PC61BM分别以0:1(纯PC61BM); 0.4:0.6; 0.5:0.5; 0.6:0.4的质量比混合并均匀分散于氯苯溶剂中，溶液浓度为15 mg/ml；
2）将配制溶液室温搅拌24小时；
3）以旋涂的方式在衬底表面制备薄膜，并在100摄氏度下退火10分钟。薄膜厚度为100纳米左右。
应用结果显示：暗场测试下，硫化铅量子点与PC61BM质量比为0:1; 0.4:0.6;0.5:0.5; 0.6:0.4的薄膜电导率分别为8.1E-8 S cm-1; 7.2E-5 S cm-1; 3.1E-4 S cm-1; 5.6E-2 S cm-1。在波长为532纳米，光强为10 mW cm-2的光照条件下，薄膜电导率分别增加至：2.3E-8 S cm-1; 8.6E-2 S cm-1; 0.83 S cm-1; 1082 S cm-1。在硫化铅量子点与PC61BM质量比为0.6:0.4的样品中，电导率实现了~19000倍的增加。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
综上，本发明提供了一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料。其可以在特定波长范围光照下，增加有机半导体材料中的电子浓度、大幅提高其电导率。本发明可以分别通过改变有机半导体材料和无机纳米晶体质量比例，或者改变照射光子的能量及通量，来实现对有机/无机杂化n型半导体薄膜材料电学特性的调制。

Claims (6)

1.一种基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料,其特征在于：通过在有机半导体材料中引入无机纳米晶体，在特定波长范围光照下，可以增加有机半导体材料中的电子浓度、大幅提高材料电导率，可以实现对有机/无机杂化半导体材料电学特性的调控。
2.根据权利1要求所述基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料,其特征在于：所述有机半导体材料可以为任何n型有机半导体材料。
3.根据权利1要求所述基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料,其特征在于：所述无机纳米晶体可以为任何形状且尺寸在2-100纳米范围内的无机纳米晶体。
4.根据权利1要求所述基于纳米晶体的有机/无机杂化n型半导体薄膜材料,其特征在于：所述有机半导体材料可以与所述无机纳米晶体以任何质量比均匀混合。
5.所述特定波长范围可以为任意波长范围。
6.所述光照强度为任意光照强度。
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