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一种生长有机半导体单晶的方法及装置与流程

时间:2022-02-03 阅读: 作者:专利查询

一种生长有机半导体单晶的方法及装置与流程
二苯基蒽(dpa)、并五苯和红荧烯,还包括其他可以生产有机半导体薄膜的材料。任何可以生成有机半导体薄膜的材料均可以利用本发明的构思制备出相应单晶。
9.优选地,所述加压的压力≥10mpa,时间≥20s;所述加热的温度为300~600℃,时间为3~5min。
10.本发明中的方法利用的是多晶薄膜的二次长大和定向再结晶特点,借助有机分子之间弱的相互作用与本身存在的晶界、位错、层错等缺陷,限制晶体纵向生长,使有机分子在微观尺寸上热运动、聚集形成大尺寸的有机单晶。现有的生长大尺寸有机单晶半导体的方法需要较长的生长时间、需要较多的原料,并且一般需要低温稳定的环境中不断的进行试错修复才能获得尺寸较大的有机半导体单晶。而本发明中的通过外力压缩空间以及快速的热处理,能够通过使用较少的原料与较短时间就能够得到百微米级的大尺寸有机半导体单晶,大大缩短了单晶的生长时间,提高了生长效率。并且在生长的过程中不需要使用惰性气体进行保护,极短的生长时间就能够生长大尺寸、高质量的有机半导体单晶,大大减少了能耗与资源浪费。
11.本发明技术方案之二:提供一种有机半导体单晶,根据上述生长有机半导体单晶的方法制得。
12.本发明技术方案之三:提供一种生长有机半导体单晶的装置,用于制备上述有机半导体单晶,包括:有机半导体薄膜空间限域装置,用于压缩所述有机半导体薄膜空间限域装置的加压装置,用于加热所述有机半导体薄膜空间限域装置的加热装置。
13.优选地,所述有机半导体薄膜空间限域装置包括:下衬底,位于所述下衬底上方的下载片,位于所述下载片上方的上载片和位于所述上载片上方的上衬底。
14.优选的,所述下载片用于装载有机半导体薄膜,装载的方式包括但不限于真空热蒸镀法、溶液法等一系列能够使有机半导体薄膜附着在下载片上的方法。
15.更优选地,所述下衬底上有用于固定所述下载片的凹槽和用于固定所述有机半导体薄膜空间限域装置的铆钉;所述上衬底上有用于固定所述上载片的凹槽和用于固定所述有机半导体薄膜空间限域装置的铆钉孔。
16.更优选地,所述下衬底和所述上衬底为刚性衬底,所述下载片和所述上载片为光滑载片。
17.本发明所用刚性衬底能够负载所述压力装置给予的压力即可,材质不限,可以为金属制托盘、耐高温硬质玻璃托盘等。
18.本发明所用下载片和上载片满足光滑条件即可,材质不限,可以为单抛的二氧化硅衬底,硅衬底,石英玻璃衬底或表面平整光滑的金属衬底。
19.优选地,所述加压装置包括:用于固定所述有机半导体薄膜空间限域装置的丝柱和加热台,用于固定所述丝柱的立柱,用于对所述有机半导体薄膜空间限域装置施加压力的活塞,用于调节所述活塞位置的压把和用于显示所述固定所述有机半导体薄膜空间限域装置所受压力的压力显示器。
20.优选地,所述加热装置包括:用于加热所述有机半导体薄膜空间限域装置的加热台,用于控制所述加热台温度的加热开关和用于显示所述加热台温度的温度显示屏。
21.本发明所述生长有机半导体单晶装置的有机半导体薄膜空间限域装置的结构由上下两个光滑硬质载片和可以固定对齐衬底的铆钉和铆钉孔构成,衬底中间有长宽为1cm
×
1cm深度为0.1mm的小凹槽用于固定光滑载片,然后通过加压装置将固定好装有原料载片和空间限域载片的两个衬底压紧压实,然后放到加热装置上进行热处理。压力的大小通过压力显示器实时显示,温度通过温度显示屏实时显示。
22.本发明的有益技术效果如下:本发明通过施加外力,借助空间限域作用抑制有机半导体单晶纵向生长,高温条件使有机分子加速运动及重组,通过分子的内在作用力将有机分子重组成大的有机半导体晶体。在极短的时间内就能得到较高质量的有机半导体晶体。其生长速度远大于现有制备有机半导体晶体的方法的生长速度,而且原料利用率极高,通过极少的原料就能得到大尺寸均匀的有机半导体单晶。并且得到的晶体尺寸相较于传统方法得到的尺寸比较大,尺寸在50-200um之间,厚度小于200nm。
附图说明
23.图1为本发明实施例中生长有机半导体单晶的装置结构示意图。
24.图2为生长有机半导体单晶的装置中有机半导体薄膜空间限域装置的结构示意图,其中a为有机半导体薄膜空间限域装置的下半部分,b为有机半导体薄膜空间限域装置的上半部分。
25.图3为本发明生长有机半导体单晶的流程示意图,其中c为装载负载原料下载片的下衬底,d为装载上载片的上衬底,e为生长有机半导体单晶的装置,f为生长得到的有机半导体单晶示意图。
26.图4为实施例1制备的dntt单晶的光学形貌图。
27.图5为 实施例1制备的dntt单晶的高分辨tem表征图谱。
28.图6为实施例1制备的dntt单晶的原子力显微镜图。
29.图7为 实施例1制备的dntt单晶扫描电子显微镜图。
30.图8为实施例1制备的dntt单晶的偏光荧光图;其中g为0度位置的偏光图,h为旋转45度的偏光图。
31.图9为实施例2制备的dntt单晶的光学形貌图。
32.图10为实施例3制备的dpa单晶的光学形貌图。
33.其中,1为旋转手轮,2为丝柱,3为立柱,4为加热台,5为活塞,6为放油伐,7为压把,8为压力显示器,9为温度显示屏,10为加热开关,11为加热指示灯,12为有机半导体薄膜空间限域装置,12-1为下衬底,12-2为上衬底,12-3为下载片,12-4为上载片,12-5为铆钉,12-6为铆钉孔。
具体实施方式
34.现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。
35.另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值,以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独
立地包括或排除在范围内。
36.除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
37.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
38.本发明实施例所用二萘并噻吩并噻吩(dntt)购自上海大然化学有限公司,纯度为99%,结构式如下:。
39.本发明实施例所用2,6-二苯基蒽(dpa)购自上海大然化学有限公司,纯度为99%,结构式如下:。
40.本发明实施例中生长有机半导体单晶的装置结构示意图见图1,其中,1为旋转手轮,2为丝柱,3为立柱,4为加热台,5为活塞,6为放油伐,7为压把,8为压力显示器,9为温度显示屏,10为加热开关,11为加热指示灯,12为有机半导体薄膜空间限域装置。
41.生长有机半导体单晶的装置中有机半导体薄膜空间限域装置的结构示意图见图2,其中a为有机半导体薄膜空间限域装置的下半部分,b为有机半导体薄膜空间限域装置的上半部分,将b倒扣在a上,组成有机半导体薄膜空间限域装置,12-1为下衬底,12-2为上衬底,12-3为下载片,12-4为上载片,12-5为铆钉,12-6为铆钉孔。
42.本发明实施例中生长有机半导体单晶的流程示意图见图3,其中c为装载负载原料下载片的下衬底,d为装载上载片的上衬底,e为生长有机半导体单晶的装置,f为生长得到的有机半导体单晶示意图。
43.实施例1(1)通过热蒸镀法直接在修饰有十八烷基三氯硅烷(ots)的二氧化硅表面构筑20nm的dntt多晶膜。
44.选用含300nm二氧化硅及500
µ
m重掺杂硅的硅片,尺寸为1cm
×
1cm。以500
µ
m重掺杂硅为栅极,在300nm二氧化硅上以真空气相法修饰ots,120℃修饰1小时,以300nm二氧化硅及ots为介电层。然后在修饰ots的二氧化硅上蒸镀20nm的dntt薄膜,蒸镀速率为0.05
å
/s,该硅片作为负载材料下载片12-3,放进下衬底12-1的凹槽中,然后选用仅修饰ots的含300nm二氧化硅及500
µ
m重掺杂硅的硅片作为上载片12-4,放进上衬底12-2的凹槽;将上衬底12-2、下衬底12-1通过铆钉12-5和铆钉孔12-6对准之后置于加热台4上,通过转动旋转手轮1调节丝柱2的位置,夹紧有机半导体薄膜空间限域装置,通过压把7调节活塞5的高度,给予有机半导体薄膜空间限域装置12压力,压力值通过压力显示器8实时显示,保持压力不小于10mpa稳定30秒,然后利用铆钉12-5和铆钉孔12-6将压好的两个衬底固定好。打开加热开关10,加热指示灯11亮起,将加热台4的温度加热到600℃,温度在温度显示屏9上实时显示,
1通过铆钉12-5和铆钉孔12-6对准之后置于加热台4上,通过转动旋转手轮1调节丝柱2的位置,夹紧有机半导体薄膜空间限域装置,通过压把7调节活塞5的高度,给予有机半导体薄膜空间限域装置压力,利用铆钉12-5和铆钉孔12-6将压好的两个衬底固定好,压力值通过压力显示器8实时显示,保持压力不小于10mpa稳定30秒。打开加热开关10,加热指示灯11亮起,将加热台4的温度加热到600℃,温度在温度显示屏9上实时显示,并在600℃下加热3min后关闭加热开关10使加热台4快速降温到室温,通过打开放油伐6放出活塞5中的液压油进行降压,取出有机半导体薄膜空间限域装置12,在上载片12-4和下载片12-3上均能得到大尺寸的dpa单晶。
55.实施例3制得dpa单晶的光学形貌图见图10,从图10中可以看出,制备的dpa单晶具有很高的质量以及较大的晶体尺寸。
56.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
57.其中有机分子包括但不限于本实例中提到的有机半导体分子,并且分散有机分子的方法也是多种多样的,不限于本文提到的喷墨打印法、热蒸镀法、电子束蒸镀法、旋涂法、提拉法、滴注法这些传统商用及常用大批量制备有机半导体薄膜的方法。
58.所提到的介电层修饰方法,并不限于修饰介电层,可以使用任何光滑平整的衬底。
59.利用本方法生长的单晶并不限于有机半导体材料,任何多晶,小分子材料有能够生长成大尺寸晶体材料的可能性的材料都应落入本发明的保护范围。
60.本发明实施例中提到的有机半导体薄膜的厚度包括不限于20nm,其厚度范围为5~1000nm。