CN110527107A - 一种有序二维导电分子单层阵列制备方法及光电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种有序二维导电分子单层阵列的制备方法及光电器件，其中，所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法包括步骤：将含金属元素的化合物与具有氨基的有机配体相混合，反应得到具有氨基官能团二维MOF材料；将导电分子与有机溶剂混合，得到导电分子溶液，将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，反应得到有序二维导电分子单层阵列。本发明以含有金属元素的化合物与具有氨基官能团的有机配体相混合，配位形成二维MOF材料，由于该二维层状结构MOF材料表面的氨基官能团取向一致，有利于目标分子结合形成有序单分子层。高度有序的单分子层阵列不仅能减少光电器件的尺寸，还能提高其电荷(载流子)传输性能。

Description

一种有序二维导电分子单层阵列制备方法及光电器件
技术领域
本发明涉及材料合成技术领域，尤其涉及一种有序二维导电分子单层阵列制备方法及光电器件。
背景技术
二维金属有机框架(Metal-Organic Frameworks)，简称MOFs，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。其多样化官能团高度有序，且易于进行后修饰，连接其他官能团或者小分子。
有机导电小分子在光电器件中具有广泛的应用潜力和前景。单层有机导电小分子有利于光电器件小型化和高密度集成。而基于聚合物侧链修饰的导电小分子往往是无序的，这将大大降低其载流子迁移率，降低光电器件的性能。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有序二维导电分子单层阵列制备方法及光电器件，旨在通过将表面具有氨基的二维MOF材料作为模板，后合成修饰一层单分子层导电小分子，形成有序二维导电分子单层阵列。解决现有二维导电分子单层阵列无序、载流子迁移率低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，包括以下步骤：
将含金属元素的化合物与具有氨基的有机配体相混合，反应得到具有氨基官能团的二维MOF材料；
将导电分子与有机溶剂混合，得到导电分子溶液，将所述具有氨基官能团的二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，反应得到有序二维导电分子单层阵列。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述金属元素为铁元素、锌元素或钴元素。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述具有氨基的有机配体为5-氨基苯并咪唑。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述导电分子的结构式为CHO-R1-R2，其中R1为烷烃链；R2为卟啉，酞腈，蒽、并四苯和并五苯或C60。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，其中所述具有氨基官能团二维MOF材料的厚度为1.06nm-50nm。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述有机溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、甲苯、氯苯或1,3-二氯苯。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述步骤将金属元素与具有氨基的有机配体相混合，反应得到具有氨基官能团二维MOF材料，还包括：
将含金属元素的化合物与具有氨基的有机配体相混合装入玻璃管中，并将所述玻璃管真空熔封；
将熔封后的玻璃管放进加热器，所述加热器温度升温至200-250℃，反应预定时间得到具有氨基官能团二维MOF材料。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述预定时间为1-3天。
所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其中，所述步骤将导电分子与有机溶剂混合，得到导电分子溶液，将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，反应得到有序二维导电分子单层阵列，具体包括：
将具有氨基官能团二维MOF材料剥离成厚度为1.06nm-50nm(1.06nm为单层MOF厚度)的薄片，并将所述薄片转移到基底上；
将具有薄片的基底固定在烧杯壁上，向烧杯中加入所述导电分子、有机溶剂，在室温下搅拌反应18-24h，得到有序二维导电分子单层阵列。
一种光电器件，其中，包括由所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法得到的有序二维导电分子单层阵列。
有益效果：本发明以含有金属元素的化合物与具有氨基官能团的有机配体相混合，配位形成二维MOF材料，由于该二维层状结构MOF材料表面的氨基官能团取向一致，有利于目标分子结合形成有序单分子层。高度有序的单分子层阵列不仅能减少光电器件的尺寸，还能提高其电荷(载流子)传输性能。
附图说明
图1为本发明一种有序二维导电分子单层阵列的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为氨基修饰二维MOF(M-Bim-NH2)结构示意图。
图3为具有氨基官能团的二维MOF表面结构示意图。
图4为醛胺缩合反应示意图。
图5为有序二维导电分子单层阵列的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种有序二维导电分子单层阵列的制备方法及光电器件，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明提供一种有序二维导电分子单层阵列的的制备方法较佳实施例的流程图，如图1所示，其包括如下步骤：
S10、将含金属元素的化合物与具有氨基的有机配体相混合，反应得到具有氨基官能团二维MOF材料；
具体来说，可选Fe-Bim-NH2或Zn-Bim-NH2或Co-Bim-NH2(即金属元素Fe、Zn或Co与5-氨基苯并咪唑(Bim-NH2)配位形成的MOF材料)，其结构如图2所示。该二维层状结构MOF材料的氨基官能团取向一致且分布在MOF材料表面如图3所示，有利于与目标分子结合形成有序的单分子层。
进一步，要实现二维MOF材料合成，可直接在基底上制备二维MOF材料，也可以在合成二维MOF材料后，再转移到其他基底上。
S20、将导电分子与有机溶剂混合，得到导电分子溶液，将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，反应得到有序二维导电分子单层阵列。
具体来说，所述导电分子的结构式表示为，CHO-R1-R2，其中R1为烷烃链部分；R2为导电部分，如卟啉，酞腈，芳香族(并苯)，C60等等，将生长有氨基二维MOF材料的基片放入导电分子溶液中，两者之间发生醛胺缩合反应(如图4所示)，反应结束后，将基片取出，清洗干净，即可在二维MOF表面形成导电单分子层阵列。所述有机溶剂可以是二氯甲烷四氢呋喃、甲苯、氯苯、1,3-二氯苯等
在一种或多种实施方式中，将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，其中所述具有氨基官能团二维MOF材料的厚度为1.06nm-50nm(1.06nm为单层MOF厚度)。即用于参加醛胺缩合反应的具有氨基官能团二维MOF材料为薄层状，具有氨基官能团二维MOF材料层的厚度控制在50nm以内，既满足了制备有序二维导电分子单层阵列的需求，又使得有序二维导电分子单层的厚度较低。
基于上述所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，本发明还提供一种光电器件，所述光电器件中包括有序二维导电分子单层阵列。
下面通过具体实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1
以Fe-Bim-NH2为例：
1)Fe-Bim-NH2块状晶体合成
将60mg二茂铁和87mg 5-氨基苯并咪唑混合均匀装入内径为5mm的玻璃管中，将玻璃管真空熔封后放入马弗炉内，以10℃/min速率升温到200℃并恒温1天得到产物，划开玻璃管后，用无水乙醇清洗产物得到无色晶体为块体Fe-Bim-NH2材料，晶体方块尺寸约0.3mm。
2)薄层二维Fe-Bim-NH2制备
使用胶带从块状Fe-Bim-NH2材料上撕下薄片，反复黏贴剥离，最后将胶带贴到300nm SiO2或Si片上，在显微镜下寻找薄层Fe-Bim-NH2材料或用原子力显微镜确定其厚度，得到薄层二维Fe-Bim-NH2的硅片。
以Fe-Bim-NH2为模板，醛基二茂铁做导电分子：
将具有薄层二维Fe-Bim-NH2的硅片固定在烧杯壁上，加入100mg二茂铁甲醛和15mL二氯甲烷搅拌至完全溶解，再加入1g无水硫酸钠，在室温下搅拌反应24小时后，取出硅片用二氯甲烷淋洗。有序二维二茂铁单层阵列就生长在二维MOF材料表面，如图5所示。
实施例2
以Zn-Bim-NH2为例：
1)Zn-Bim-NH2块状晶体合成
将50mg二乙基锌和80mg 5-氨基苯并咪唑混合均匀装入内径为5mm的玻璃管中，将玻璃管真空熔封后放入马弗炉内，以10℃/min速率升温到220℃并恒温2天得到产物，划开玻璃管后，用无水乙醇清洗产物得到无色晶体为块体Zn-Bim-NH2材料，晶体方块尺寸约0.5mm。
2)薄层二维Zn-Bim-NH2制备
使用胶带从块状Zn-Bim-NH2材料上撕下薄片，反复黏贴剥离，最后将胶带贴到300nm SiO2片上，在显微镜下寻找薄层Zn-Bim-NH2材料或用原子力显微镜确定其厚度，得到薄层二维Zn-Bim-NH2的硅片。
以Zn-Bim-NH2为模板，醛基二乙基锌做导电分子：
将具有薄层二维Zn-Bim-NH2的硅片固定在烧杯壁上，加入100mg二茂锌甲醛和20mL二氯甲烷搅拌至完全溶解，再加入1g无水硫酸钠，在室温下搅拌反应20小时后，取出硅片用二氯甲烷淋洗。有序二维二茂锌单层阵列就生长在二维MOF材料表面。
实施例3
以Co-Bim-NH2为例：
1)Co-Bim-NH2块状晶体合成
将40mg二茂钴和65mg 5-氨基苯并咪唑混合均匀装入内径为5mm的玻璃管中，将玻璃管真空熔封后放入马弗炉内，以10℃/min速率升温到250℃并恒温3天得到产物，划开玻璃管后，用无水乙醇清洗产物得到无色晶体为块体Co-Bim-NH2材料，晶体方块尺寸约0.5mm。
2)薄层二维Co-Bim-NH2制备
使用胶带从块状Co-Bim-NH2材料上撕下薄片，反复黏贴剥离，最后将胶带贴到300nm SiO2或Si片上，在显微镜下寻找薄层Co-Bim-NH2材料或用原子力显微镜确定其厚度，得到薄层二维Co-Bim-NH2的硅片。
以Co-Bim-NH2为模板，醛基二茂钴做导电分子：
将具有薄层二维Co-Bim-NH2的硅片固定在烧杯壁上，加入100mg二茂钴甲醛和15mL二氯甲烷搅拌至完全溶解，再加入1g无水硫酸钠，在室温下搅拌反应24小时后，取出硅片用二氯甲烷淋洗。有序二维二茂钴单层阵列就生长在二维MOF材料表面。
综上所述，本发明提供的一种有序二维导电分子单层阵列的制备方法及光电器件。本发明以含有金属元素的化合物与具有氨基官能团的有机配体相混合，配位形成二维MOF材料，由于该二维层状结构MOF材料表面的氨基官能团取向一致，有利于目标分子结合形成有序单分子层。高度有序的单分子层阵列不仅能减少光电器件的尺寸，还能提高其电荷(载流子)传输性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含金属元素的有机化合物与具有氨基的有机配体混合，反应得到具有氨基官能团二维MOF材料；
将导电分子与有机溶剂混合，得到导电分子溶液，将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，反应得到有序二维导电分子单层阵列。
2.根据权利要求1所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述金属元素为铁元素、锌元素或钴元素。
3.根据权利要求1所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述具有氨基的有机配体为5-氨基苯并咪唑。
4.根据权利要求1所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述导电分子的结构式为CHO-R1-R2，其中R1为烷烃链；R2为卟啉，酞腈，蒽、并四苯、并五苯或C60。
5.根据权利要求1所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液的步骤中，所述具有氨基官能团二维MOF材料的厚度1.06nm-50nm。
6.根据权利要求4所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、甲苯、氯苯或1,3-二氯苯。
7.根据权利要求1所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤将金属元素与具有氨基的有机配体混合，反应得到具有氨基官能团二维MOF材料，具体包括：
将含金属元素的化合物与具有氨基的有机配体相混合装入玻璃管中，并将所述玻璃管真空熔封；
将熔封后的玻璃管放进加热器，所述加热器温度升温至200-250℃，反应预定时间得到具有氨基官能团二维MOF材料。
8.根据权利要求7所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述预定时间为1-3天。
9.根据权利要求1所述有序二维导电分子单层阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤将导电分子与有机溶剂混合，得到导电分子溶液，将所述具有氨基官能团二维MOF材料放置在所述导电分子溶液中，反应得到有序二维导电分子单层阵列，具体包括：
将具有氨基官能团二维MOF材料剥离成厚度为1.06nm-50nm的薄片，并将所述薄片转移到基底上；
将具有薄片的基底固定在烧杯壁上，向烧杯中加入所述导电分子、有机溶剂，在室温下搅拌反应18-24h，得到有序二维导电分子单层阵列。
10.一种光电器件，其特征在于，包括由所述权利要求1-9任一所述的制备方法得到的有序二维导电分子单层阵列。
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