有机半导体二维分子晶体材料的制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种有机半导体二维分子晶体材料的制备方法与应用。制备包括：在水面滴注有机半导体化合物溶液，待溶剂挥发后，在水面上得到有机半导体二维分子晶体晶核；在水面上的所述有机半导体二维分子晶体晶核处继续滴注所述有机半导体化合物溶液，静置，在水面上得到所述有机半导体二维分子晶体材料。所述有机半导体二维分子晶体材料在制备场效应晶体管器件中的应用也属于发明专利技术的保护范围。本发明专利技术利用水面以及水面上预先形成的籽晶作为生长核心，经溶液自组装，在水面上生长出大面积的二维分子晶体结构，用这些二维分子晶体结构制备的场效应晶体管具有较高的载流子迁移率与较低的阈值电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机半导体材料
，具体涉及一种有机半导体二维分子晶体材料的制备方法与应用。
技术介绍
所谓二维晶体，是指这种晶体的厚度仅一个原子厚度，晶体从本质上来讲更像是一种巨大的二维分子。二维晶体因极高的柔韧性与透光性，在柔性器件及可穿戴设备方面显示出了极大的潜在应用价值。一方面，较于相应三维块材，二维晶体不但能够体现出增强的材料本征性能，同时还可能因量子局域效应产生一些块材所不具有的新性质；另一方面，超薄厚度的二维晶体被认为是连接材料微观电子结构与透明柔性电子器件的桥梁，能够实现器件的多功能化。自2004年石墨烯发现以来，二维原子晶体这一新兴的研究领域得到了飞速的发展,在下一代半导体器件中被认为是最有可能取代硅的材料之一。但是，具有极高载流子迁移率的石墨烯是零带隙的，打开其带隙会增加器件构筑的复杂性，并显著降低载流子迁移率。随着石墨烯的蓬勃发展，其它一些层间由弱范德华力连接、易于直接剥离成原子级厚度的无机类二维原子晶体也越来越多地引起了人们的关注。其中，研究比较广泛的有过渡金属硫化物(MX2,M＝Mo,W；X＝S,Se,Te等)及黑磷，因具有与石墨烯类似的结构、较大的能隙值(0.5-2.0eV)、较高的载流子迁移率(217-984cm2V-1s-1)，在催化、储能、分子识别、场效应晶体管，与逻辑电路以及光电器件等方面有着广阔的应用前景，被认为是石墨烯的有效补充。与此相对的，二维分子晶体因其化学结构多样性、能级结构可调性、应用功能可设计性，吸引了越来越多研究者的兴趣。同时，二维分子晶体可溶液法加工，具备低成本、可大面积制备等优势，是二维原子晶体相互补充与促进的发展方向。随着器件制作工艺的逐步优化及加工方法的不断开发，二维分子晶体的载流子迁移率得到了稳步提高，在未来的柔性器件及可穿戴设备中必将占有一席之地。中国科学院化学研究所的江浪等人用滴注的方法在石英、硅片等基底上制备了尺寸达毫米级别的HTEB二维分子晶体，最高迁移率达1cm2V-1s-1(Jiang,L.；Dong,H.；Hu,W.P；et al.Advanced materials.2011,23(18),2059.)；苏州大学的Xiaoyan Zhang等人设计合成并利用自组装的方法制备了微米尺度的富勒烯基液晶二维分子晶体(Zhang,X.；Hsu,C.H.；Tu,Y.；Li,X.；Yang,X.；Li,Y.；Zhu,X；et al.Angewandte Chemie.2014,DOI:10.1002/anie.201408438)；南京大学的Daowei He
等人利用外延生长的方法精确可控地制备了厚度薄至单分子厚度的二维分子晶体，大小最大达80微米，最高迁移率达10cm2V-1s-1(He,D.；Zhang,Y.；Wang,X.；et al.Nature communications.2014,5,5162.)。但是，基于以上方法制备的二维分子晶体尺寸较小，并且方法不具有普适性，只对极少数有机半导体材料起作用，既无法满足后续电路集成的需要，亦不利于拓展二维分子晶体这一载体的研究范围，极大地制约了二维分子晶体研究领域的发展进程，开发一种普适性好、操作简便、低成本、具备大批量生产能力的制备二维分子晶体的实验方法，是迫在眉睫的需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是开发一种普适性好、操作简便、低成本、具备大批量生产能力的制备有机半导体二维分子晶体的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种制备有机半导体二维分子晶体材料的方法。本专利技术所提供的制备有机半导体二维分子晶体材料的方法，包括下述步骤：1)在水面滴注有机半导体化合物溶液，待所述有机半导体化合物溶液中的溶剂挥发后，在水面上得到有机半导体二维分子晶体晶核，用于诱导有机半导体二维分子晶体进一步生长；2)在水面上的所述有机半导体二维分子晶体晶核处继续滴注所述有机半导体化合物溶液，静置，在水面上得到所述有机半导体二维分子晶体材料。上述方法步骤1)中，所述有机半导体化合物溶液中的溶质为有机半导体化合物，溶剂为能够溶解上述有机半导体化合物的有机溶剂。所述有机半导体化合物为具有平面结构溶解性良好的共轭有机半导体化合物。所述有机半导体化合物可选自下述至少一种：烷基取代联噻吩类化合物(如α,ω-二己基联六噻吩(DH6T)、α,ω-二全氟己基联四噻吩(DFH4T))、烷基取代苯并噻吩类化合物(如2,7-二辛基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩(C8-BTBT))、烷基取代并五苯类稠环化合物(如二己基取代二苯并[d,d]噻吩并[3,2-b；4,5-b]噻吩(C6-DBTDT))、烷基取代并五噻吩类化合物(如2,7-二己基噻吩[2',3':4,5]噻吩[3,2-b]噻吩[2',3':4,5]噻吩[2,3-d]噻吩(C6-PTA))、苝酰亚胺类化合物(如N,N′-1H,1H-全氟丁基二氰基苝酰亚胺(PDIF-CN2))、苯基取代蒽类化合物(如二己基取代-2，6-二苯联蒽(C6-DPA))和其他多种具有平面结构溶解性良好的共轭有机半导体化合物(如苝，2-苯基蒽)。所述有机半导体化合物具体可为C6-DBTDT。所述溶剂可选自下述至少一种：三氯甲烷、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、三氯
苯、四氢萘、正庚烷、正辛烷和正十二烷。所述有机半导体化合物溶液中，所述有机半导体化合物的质量浓度为0.2-5mg/mL。上述方法步骤1)中，每一平方厘米的水面上，滴注的所述有机半导体化合物溶液的体积为0.2-1.8微升。上述方法步骤2)中，每一平方厘米的水面上，滴注的所述有机半导体化合物溶液的体积为0.4-3.5微升。所述静置的时间为4小时-2天。制备得到的有机半导体二维分子晶体材料具有长度在10微米-1厘米，厚度在1纳米-150纳米的二维片状特征，为单晶结构，分子严格有序排列，同时具备单晶与薄膜的优点，利于载流子传输与大规模器件及电路制备。上述方法制备得到的有机半导体二维分子晶体材料在制备电子与光电器件中的应用也属于专利技术的保护范围。所述电子与光电器件具体可为场效应晶体管、有机太阳能电池、有机发光二极管、光检测器等器件。上述有机半导体二维分子晶体材料可通过下述a)或b)转移到平面基底以构筑所述电子与光电器件：a)预先在储水容器内放置平面基底，接着向所述储水容器中注水，再依次进行上述步骤1)和2)，在水面上得到所述有机半导体二维分子晶体材料，待所述储水容器中的水挥发后，所述有机半导体二维分子晶体材料转移至所述平面基底表面；或b)待所述有机半导体二维分子晶体材料在水面生长完成后，将储水容器中的水用醇类溶剂替换，另将所述平面基底斜置入醇类溶剂的液面以下，待醇类溶剂挥发完全后，所述有机半导体二维分子晶体材料将转移至所述平面基底表面。所述平面基底可为下述任意一种：十八烷基三氯硅烷修饰硅片、铟锡氧化物、玻璃和聚酰亚胺薄膜。所述平面基底为十八烷基三氯硅烷修饰硅片时，所述十八烷基三氯硅烷修饰硅片通过如下方法制备：将低阻硅片(含二氧化硅绝缘层)按照水、双氧水与浓硫酸的混合液、纯水以及异丙醇的顺序进行清洗后，放入真空干燥箱内，机械泵抽真空，同时加热至90℃并保持一小时，冷却后取出并在硅片附近滴加少量十八烷基三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备有机半导体二维分子晶体材料的方法，包括下述步骤：1)在水面滴注有机半导体化合物溶液，待所述有机半导体化合物溶液中的溶剂挥发后，在水面上得到有机半导体二维分子晶体晶核，用于诱导有机半导体二维分子晶体进一步生长；2)在水面上的所述有机半导体二维分子晶体晶核处继续滴注所述有机半导体化合物溶液，静置，在水面上得到所述有机半导体二维分子晶体材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备有机半导体二维分子晶体材料的方法，包括下述步骤：1)在水面滴注有机半导体化合物溶液，待所述有机半导体化合物溶液中的溶剂挥发后，在水面上得到有机半导体二维分子晶体晶核，用于诱导有机半导体二维分子晶体进一步生长；2)在水面上的所述有机半导体二维分子晶体晶核处继续滴注所述有机半导体化合物溶液，静置，在水面上得到所述有机半导体二维分子晶体材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法步骤1)中，所述有机半导体化合物溶液中的溶质为共轭有机半导体化合物；所述有机半导体化合物溶液中，所述有机半导体化合物的质量浓度为0.2mg/mL-5mg/mL。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述有机半导体化合物选自下述至少一种：烷基取代联噻吩类化合物、烷基取代苯并噻吩类化合物、烷基取代并五苯类稠环化合物、烷基取代并五噻吩类化合物、苝酰亚胺类化合物和苯基取代蒽类化合物。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述有机半导体化合物为二己基取代二苯并[d,d]噻吩并[3,2-b；4,5-b]噻吩。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法步骤1)中，每一平方厘米的水面上，滴注的所述有机半导体化合物溶液的体积为0.2-1.8微升；所述方法步骤2)中，每一平方厘米的水面上，滴注的所述有机半导体化合物溶液的体积为0.4-3.5微升；所述方法步骤2)中，所述静置的时间为4小时-...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文平，徐春晖，甄永刚，董焕丽，张小涛，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11