一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法技术

一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法，属于有机半导体技术领域。本发明专利技术通过化学气相沉积法在晶面为(111)的单晶镍片上制备单层单晶石墨烯，从而得到镍基石墨烯基底，然后在镍基石墨烯基底上利用热沉积法制备酞菁铁单晶薄膜，将酞菁铁单晶薄膜沉积到镍基石墨烯基底的表面。本发明专利技术实现了酞菁铁分子沿特定方向生长，形成具有纳米线状形貌的有机纳米晶畴，且酞菁铁分子以平躺形式分布在镍基石墨烯基底上，形成结构有序的单晶薄膜；本发明专利技术利用金属镍与石墨烯之间的电子耦合、以及该电子耦合体系与铁原子非闭合壳层d电子之间的相互作用，并通过选择合适的沉积速率制备出具有纳米线状形貌的酞菁铁晶畴。

【技术实现步骤摘要】
一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法
本专利技术属于有机半导体
，具体是涉及一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法。
技术介绍
有机光电子器件的核心部分是有机薄膜层，其薄膜属性直接决定着相应器件的性能。对有机薄膜结构、形貌以及电子学属性的表征与调控一直是有机光电子器件领域的重点研究内容。酞菁铁是一种平面共轭π键有机小分子材料，常用作有机光伏器件(OPV)、有机发光器件(OLED)和有机场效应器件(OFET)中典型的载流子传输材料，由于其分子对称中心的铁原子具有非壳层电子结构，因此这种材料在磁性器件器件中也有潜在应用。实现以酞菁铁为代表的有机小分子薄膜的晶体结构及形貌特性的可控性调节是提高有机半导体器件性能的关键。为了实现连续且具有有序分子排列结构的有机薄膜的制备，研究人员专利技术了多种构建有序分子薄膜的技术，包括微纳米模板法、Langmuir-Blodgget膜法、分子自组装法以及模板法等。以石墨烯基底为代表的模板法是近几年发展起来的有序分子薄膜制备技术，广泛应用于有机光电子器件制备领域。得益于其优异的导电性和透光性，在有机器件中，石墨烯既是有机器件的电极，又可作为模板基底，用以调控有机薄膜的生长行为。无缺陷且洁净的石墨烯基底通常会诱导金属酞菁分子以“平躺”形式吸附，形成平台状晶畴。本专利技术利用制备合适的石墨烯基底，并优化有机分子薄膜的沉积速率，实现了具有纳米线状形貌的酞菁铁单晶薄膜的制备。酞菁铁分子的主平面与石墨烯基底平行，分子间以范德瓦尔斯力结合，堆栈形成具有纳米线状形貌且晶体结构单一有机薄膜。
技术实现思路
本专利技术主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法，所述方法为：步骤(1)，将晶面为(111)的单晶镍片装载到高真空腔内，然后将高真空腔内的压强抽至1×10-8mbar，再向高真空腔内通入氩气，直至高真空腔内的压强达到5×10-5mbar；步骤(2)，对单晶镍片的表面进行氩离子轰击，轰击时间为15min，然后等待高真空腔内的压强恢复至1×10-9mbar后，对单晶镍片加热至1000℃，并在该温度下进行单晶镍片的退火处理，退火处理时间为15min；重复循环上述处理，循环次数为3-5次，得到表面洁净的镍单晶基底；步骤(3)，将镍单晶基底的温度降至800℃，向高真空腔内持续通入丙烯，使高真空腔内的压强达到5×10-5mbar，然后在此真空状态下，将镍单晶基底的温度在5min内降至500℃，利用高温下丙烯的催化裂解，在镍单晶基底上生长形成单层单晶石墨烯，从而得到镍基石墨烯基底；步骤(4)，停止向高真空腔内通入丙烯，使高真空腔内的压强恢复至1×10-8mbar，并停止加热，使镍基石墨烯基底在真空状态下自然冷却；步骤(5)，将镍基石墨烯装载到有机薄膜沉积腔内，利用热沉积法制备酞菁铁单晶薄膜，将酞菁铁单晶薄膜沉积到镍基石墨烯基底的表面。作为优选，所述步骤(1)中，高真空腔需具备氩离子轰击和低能电子衍射功能，氩离子轰击功能用于清洁单晶镍片的表面，低能电子衍射功能用于观察单晶镍片的表面结构，所述高真空腔连接有机械泵和分子泵，机械泵和分子泵用于将高真空腔内的气体排出。作为优选，所述步骤(1)中，氩气为高纯气体，纯度为99.999％。作为优选，所述步骤(3)中，丙烯为高纯气体，纯度为99.999％。作为优选，所述步骤(3)中，丙烯的通入时间为15min，在镍基底上生长形成满覆盖度的单层单晶石墨烯。作为优选，所述步骤(5)中，有机薄膜沉积腔需具备用于热沉积金属酞菁的束源炉，在热沉积金属酞菁时，所述束源炉加热至400℃，金属酞菁的沉积速率保持在0.5nm/min，沉积时间设为40min。作为优选，所述酞菁铁单晶具有(100)晶相，且晶畴为纳米线状形貌。本专利技术具有的有益效果：本专利技术实现了酞菁铁分子沿特定方向生长，形成具有纳米线状形貌的有机纳米晶畴，且酞菁铁分子以平躺形式分布在镍基石墨烯基底上，形成结构有序的单晶薄膜；本专利技术利用金属镍与石墨烯之间的电子耦合、以及该电子耦合体系与铁原子非闭合壳层d电子之间的相互作用，并通过选择合适的沉积速率制备出具有纳米线状形貌的酞菁铁晶畴，该形貌有别于其他金属酞菁分子薄膜常见的平台状晶畴。附图说明图1是使用本专利技术制备的镍基石墨烯基底的原子力显微镜形貌图；图2是使用本专利技术制备的镍基石墨烯基底的拉曼光谱图；图3是使用本专利技术在镍基石墨烯基底上制备的酞菁铁纳米线状薄膜的原子力显微镜形貌图；图4是使用本专利技术在镍基石墨烯基底上制备的酞菁铁薄膜的X射线衍射图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。实施例：一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法，如图1-图4，所述方法为：步骤(1)，将晶面为(111)的单晶镍片装载到高真空腔内，然后利用机械泵和分子泵将高真空腔内的压强抽至1×10-8mbar，再向高真空腔内通入纯度为99.999％的氩气，直至高真空腔内的压强达到5×10-5mbar；步骤(2)，对单晶镍片的表面进行氩离子轰击，轰击时间为15min，然后等待高真空腔内的压强恢复至1×10-9mbar后，对单晶镍片加热至1000℃，并在该温度下进行单晶镍片的退火处理，退火处理时间为15min；重复循环上述处理，循环次数为3次，得到表面洁净的镍单晶基底；步骤(3)，将镍单晶基底的温度降至800℃，向高真空腔内持续通入纯度为99.999％的丙烯，通入时间为15min，使高真空腔内的压强达到5×10-5mbar，然后在此真空状态下，将镍单晶基底的温度在5min内降至500℃，利用高温下丙烯的催化裂解，在镍单晶基底上生长形成满覆盖度单层单晶石墨烯，从而得到镍基石墨烯基底；图1为镍基石墨烯基底的原子力显微镜相貌图，图中的褶皱为石墨烯褶皱，且褶皱明显可见；图2为镍基石墨烯基底的拉曼光谱图，如图所示，图中特征峰(G峰和2D峰)和缺陷峰(D峰)的强度极小，且2D峰为单峰，图中的嵌入图为2D峰的单峰洛伦兹线性拟合，这些现象表明，所制得的石墨烯为单层单晶石墨烯；步骤(4)，停止向高真空腔内通入丙烯，使高真空腔内的压强恢复至1×10-8mbar，并停止加热，使镍基石墨烯基底在真空状态下自然冷却；步骤(5)，将镍基石墨烯装载到有机薄膜沉积腔内，该有机薄膜沉积腔装载有束源炉，束源炉内装有金属酞菁，利用热沉积法制备酞菁铁单晶薄膜，将酞菁铁单晶薄膜沉积到镍基石墨烯基底的表面，在热沉积金属酞菁时，将束源炉加热至400℃，金属酞菁的沉积速率保持在0.5nm/min，沉积时间为40min，从而得到厚度为2nm的酞菁铁薄膜。图3为在镍基石墨烯基底上制备的酞菁铁纳米线状薄膜的原子力显微镜形貌图，图中虚线所示方向为酞菁铁纳米线晶畴的取向，这些纳米线的取向相互之间呈30°分布，该取向分布的特点体现了镍基石墨烯基底的六度对称性。图4为在镍基石墨烯基底上制备的酞菁铁薄膜的X射线衍射图，图中只有一个明显的衍射峰，对应酞菁铁薄膜的(200)晶面，由此可知，薄膜中酞菁铁分子的平面与镍基石墨烯基底相互平行，即酞菁铁分子是以“平躺”的形式排列在镍基石墨烯基底上的。最后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法，其特征在于所述方法为：步骤(1)，将晶面为(111)的单晶镍片装载到高真空腔内，然后将高真空腔内的压强抽至1×10‑8mbar，再向高真空腔内通入氩气，直至高真空腔内的压强达到5×10‑5mbar；步骤(2)，对单晶镍片的表面进行氩离子轰击，轰击时间为15min，然后等待高真空腔内的压强恢复至1×10‑9mbar后，对单晶镍片加热至1000℃，并在该温度下进行单晶镍片的退火处理，退火处理时间为15min；重复循环上述处理，循环次数为3‑5次，得到表面洁净的镍单晶基底；步骤(3)，将镍单晶基底的温度降至800℃，向高真空腔内持续通入丙烯，使高真空腔内的压强达到5×10‑5mbar，然后在此真空状态下，将镍单晶基底的温度在5min内降至500℃，利用高温下丙烯的催化裂解，在镍单晶基底的表面生长形成单层单晶石墨烯，从而得到镍基石墨烯基底；步骤(4)，停止向高真空腔内通入丙烯，使高真空腔内的压强恢复至1×10‑8mbar，并停止加热，使镍基石墨烯基底在真空状态下自然冷却；步骤(5)，将镍基石墨烯基底装载到有机薄膜沉积腔内，利用热沉积法制备酞菁铁单晶薄膜，将酞菁铁单晶薄膜沉积到镍基石墨烯基底的表面。...

【技术特征摘要】
1.一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法，其特征在于所述方法为：步骤(1)，将晶面为(111)的单晶镍片装载到高真空腔内，然后将高真空腔内的压强抽至1×10-8mbar，再向高真空腔内通入氩气，直至高真空腔内的压强达到5×10-5mbar；步骤(2)，对单晶镍片的表面进行氩离子轰击，轰击时间为15min，然后等待高真空腔内的压强恢复至1×10-9mbar后，对单晶镍片加热至1000℃，并在该温度下进行单晶镍片的退火处理，退火处理时间为15min；重复循环上述处理，循环次数为3-5次，得到表面洁净的镍单晶基底；步骤(3)，将镍单晶基底的温度降至800℃，向高真空腔内持续通入丙烯，使高真空腔内的压强达到5×10-5mbar，然后在此真空状态下，将镍单晶基底的温度在5min内降至500℃，利用高温下丙烯的催化裂解，在镍单晶基底的表面生长形成单层单晶石墨烯，从而得到镍基石墨烯基底；步骤(4)，停止向高真空腔内通入丙烯，使高真空腔内的压强恢复至1×10-8mbar，并停止加热，使镍基石墨烯基底在真空状态下自然冷却；步骤(5)，将镍基石墨烯基底装载到有机薄膜沉积腔内，利用热沉积法制备酞菁铁单晶薄膜，将酞菁铁单晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦卫东，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33