CN109979876B - 一种利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法 - Google Patents

一种利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，包括如下制备步骤：(1)有机半导体材料溶液的制备；(2)基底的预处理；(3)环形阵列模板的制备；(4)环形阵列集成器件的制备。本发明充分利用软模板自上而下的限域作用与有机半导体材料易于进行自下而上的自组装特性相结合的方法，避免了光刻技术对材料产生的破坏，因此可以有效地保护材料的功能性并轻易实现有机半导体材料的集成。本发明制备工艺简单，重复性好，反应过程温和，适用于大部分可溶性有机半导体材料。

Description

一种利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电 器件的方法
技术领域
本发明涉及有机半导体材料器件制备领域，特别是涉及一种有机半导体材料集成光电(或微环)器件的制备方法。
背景技术
有机半导体材料是一类具有光电活性的有机材料，通常富含碳原子、具有较大π共轭体系的有机分子。有机半导体材料具有多样化的结构组成和宽广的性能调节空间，可以进行分子设计来获得所需要的性能。与无机材料相比，有机半导体材料能够进行自下而上的器件组装方式来制备纳米器件和分子器件，进而通过溶液法实现大面积制备和柔性器件的制备。目前，关于单个的有机半导体微纳器件制备已经非常容易，已有大量报道，但微纳材料杂乱无序的分布状态导致其应用受限。而有机半导体材料阵列化处理，能有效的提髙器件性能，集成水平等，这将大大满足电子学、光子学、光电子学、基于生物芯片的检测、生物传感器阵列等领域对阵列化的微纳结构光电材料的需求。然而，实现高密度、规模化的微纳结构是一件极具挑战性的工作。
传统的有机半导体材料阵列化的方法有很多，比如光刻、压印法等，但是这些方法都具有各自的局限性。光刻法采用的电子束或紫外光会对材料产生一定的破坏，并且成本高，时间长。纳米压印光刻技术是指具有纳米图案的模板以机械力(高温、高压)在涂有高分子材料的硅片上等比例复制压印纳米图案，但这往往需要非常大的压力，通常可达到每平方厘米达到130公斤的压力。软模板光刻法充分利用阴模自上而下的溶液限域作用与有机半导体材料易于自下而上的自组装特来实现特定结构的阵列化器件，操作方便，成型时间短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机半导体材料集成光电器件的制备方法，本发明可通过调节模板的尺寸来改变阵列化圆环的大小，模板可重复利用，工艺简单，可适用性强，具有产业化应用前景。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明利用的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，包括如下具体制备步骤：
(1)有机半导体材料溶液的制备：将有机半导体材料溶于有机溶剂中，搅拌至完全溶解；
(2)基底的预处理：将基底浸泡在乙醇中，超声例如30min，然后浸泡在去离子水中超声例如30min，最后用氮气吹干；
(3)环形阵列模板的制备：先制备具有凸起的环形阵列结构的阳模模板，然后利用阳模制备具有环形阵列化凹槽的阴模模板；
(4)环形阵列集成器件的制备：取步骤(1)制备的有机光电材料溶液置于光滑的基底上，盖上步骤(3)制备的模板，常温下静止例如一小时,最后揭去模板，即得到在基底上形成阵列化的环形有机光电材料。
上述利用利用溶液限域生长制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，步骤(1)中所述的溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、甲苯或DMF。
上述光电材料溶液应不腐蚀模板或基底材料。
上述利用溶液限域生长制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，步骤(2)中所述基底的材料为玻璃、硅片等刚性材料，优选玻璃片。
上述利用溶液限域生长制备有机光电材料环形阵列的方法，步骤 (3)中所述阳模模板的材料为为硅片，阴模模板的材料为柔性材料，柔性材料可为PDMS、PMMA、PET中的任意一种，优选PDMS。
上述利用溶液限域生长制备有机光电材料环形阵列的方法，，所述的阳模模板采用阳模模板是利用电子束在硅片上刻蚀阵列化环形凸起结构。
上述的利用溶液限域生长制备有机光电材料环形阵列的方法，所述的阴模模板优选材料为PDMS，然后在刻有环形凸起结构的阳模上涂覆PDMS预聚物，固化后得到PDMS柔性材料阵列化凹槽模板。
上述的利用利用溶液限域生长制备有机光电材料环形阵列的方法，所述的有机半导体材料阵列可以通过改变模板底面上阵列化凹槽的尺寸来调控。
上述的利用溶液限域生长制备有机光电材料环形阵列的应用，应用于制备有机半导体器件。
上述的利用溶液限域生长制备有机光电材料环形阵列的应用，所述半导体器件为有机半导体激光器、有机传感器件、有机显示器件中的一种。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一利用利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的流程图。
图2是本发明实施例一外径为20μm的圆环阵列的阳模显微镜图片和对应的PDMS圆环阵列阴模显微镜图片。
图3是本发明实施例一有机半导体材料DPHP的环形阵列化结构图像。
图4是本发明实施例一有机半导体材料DPHP的环形阵列化结构荧光照片。
图5是本发明实施例二外径为有机半导体材料钙钛矿30μm的集成微环阵列器件的显微镜照片。
图6是本发明实施例二中外径为有机半导体材料钙钛矿30μm 的集成微环阵列器件的荧光显微镜照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明公开一种利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
(1)有机半导体材料溶液的制备；
(2)基底的预处理；
(3)环形阵列模板的制备；
(4)环形阵列集成器件的制备。
以下介绍具体的实施实例。
实施实例一
利用溶液限域生长制备有机半导体材料集成光电或微环阵列的方法，包括如下具体制备步骤：
(1)有机半导体材料DPHP溶液的制备：将有机半导体材料 DPHP溶于二氯甲烷中，配置成20mM的溶液，搅拌至完全溶解；
(2)基底的预处理：以玻璃为基底，将基底浸泡在乙醇中，超声30min，然后浸泡在去离子水中超声30min，最后用氮气吹干；
(3)外径为20μm的圆环阵列的PDMS阴模的制备：首先，采用电子束在硅片上刻蚀阵列化微环凸起结构，其每个微环的外径为20μm，环宽2μm，高度5μm，圆环间距为10μm。将上述硅质阳模放入大小适宜的培养皿中，倒入共混的PDMS预聚物和固化剂，加热固化4小时后得到柔性材料PDMS阵列化凹槽模板。
(4)DPHP环形阵列集成器件的制备：取10μL步骤(1)制备的半导体材料DPHP溶液，滴在玻璃基底上，盖上步骤(3)所制备的PDMS软模板，常温下静止1小时，最后揭去模板，即得到在基底上形成的有机半导体材料DPHP集成微环结构。
实施实例二
利用溶液限域生长制备有机半导体材料集成光电或微环阵列的方法，包括如下具体制备步骤：
(1)有机半导体材料钙钛矿溶液的制备：将有机半导体材料钙钛矿(PEA)2PbI4溶于DMF中，配置成30mM的溶液，搅拌至完全溶解；
(2)基底的预处理：以玻璃为基底，将基底浸泡在乙醇中，超声30min，然后浸泡在去离子水中超声30min,最后用氮气吹干；
(3)外径为30μm的圆环阵列的PDMS阴模的制备：首先，采用电子束在硅片上刻蚀阵列化微环凸起结构，其每个微环的外径为30μm，环宽2μm，高度5μm，圆环间距为10μm。将上述硅质阳模放入大小适宜的培养皿中，倒入共混的PDMS预聚物和固化剂，加热固化4小时后得到柔性材料PDMS阵列化凹槽模板。
(4)钙钛矿环形阵列集成器件的制备：取10μL步骤(1)制备的钙钛矿溶液，滴在玻璃基底上，盖上步骤(3)所制备的PDMS 软模板，常温下静止1小时,最后揭去模板，即得到在基底上形成的钙钛矿(PEA)2PbI4集成微环结构。
当然还可以采用除以上实施例所述之外的其他有机半导体材料。以上实施例中介绍的数值仅是示意性的，而非限制性的。步骤(1) 中所述的有机溶剂可以为二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、甲苯或DMF 等。步骤(2)中所述基底的材料可以为玻璃、硅片等刚性材料。步骤(3)中所述阳模模板的材料为为硅片，阴模模板的材料为柔性材料，柔性材料可为PDMS、PMMA、PET中的任意一种。所述的阳模模板是利用电子束在硅片上刻蚀阵列化环形凸起结构。所述的阴模模板利用阳模模板进行拓印，来制备具有环形阵列化凹槽的柔性模板。所述的有机半导体材料环形阵列结构可通过改变阴模模板上的阵列化凹槽的尺寸来调控。该方法可以应用于制备有机半导体器件。所述半导体器件可以为有机半导体激光器、有机传感器件、有机显示器件等中的一种。
本发明充分利用软模板自上而下的限域作用与有机半导体材料易于进行自下而上的自组装特性相结合的方法，避免了光刻技术对材料产生的破坏，因此可以有效地保护材料的功能性并轻易实现有机半导体材料的集成。本发明制备工艺简单，重复性好，反应过程温和，适用于大部分可溶性有机半导体材料。

Claims (9)

1.一种利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，包括如下具体制备步骤：
(1)有机半导体材料溶液的制备：将有机半导体材料溶于有机溶剂中，搅拌至完全溶解；
(2)基底的预处理：将基底浸泡在乙醇中，进行超声步骤，然后浸泡在去离子水中超声，最后用氮气吹干；
(3)环形阵列模板的制备：先制备具有凸起的环形阵列结构的阳模模板，然后利用阳模制备具有环形阵列化凹槽的阴模模板；
(4)环形阵列集成器件的制备：取步骤(1)制备的半导体材料溶液置于光滑的基底上，盖上步骤(3)制备的模板，常温下静止，最后揭去模板，即得到在基底上形成阵列化的环形有机光电材料。
2.根据权利要求1所述的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、甲苯或DMF。
3.根据权利要求1所述的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，步骤(2)中所述基底的材料为玻璃或硅片。
4.根据权利要求1所述的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，步骤(3)中所述阳模模板的材料为硅片，阴模模板的材料为柔性材料，柔性材料可为PDMS、PMMA、PET中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，所述的阳模模板是利用电子束在硅片上刻蚀阵列化环形凸起结构。
6.根据权利要求5所述的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，所述的阴模模板利用阳模模板进行拓印，来制备具有环形阵列化凹槽的柔性模板。
7.根据权利要求5或6所述的利用软光刻技术制备有机半导体材料环形阵列集成光电器件的方法，其特征在于，所述的有机半导体材料环形阵列结构可通过改变阴模模板上的阵列化凹槽的尺寸来调控。
8.一种有机半导体器件，其特征在于，包括由权利要求1-7任一所述方法制备的有机半导体材料环形阵列集成光电器件。
9.根据权利要求8所述的有机半导体器件，其特征在于，所述有机半导体器件为有机半导体激光器、有机传感器件、有机显示器件中的一种。
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