本发明专利技术涉及一种多层有机单晶结构的生长装置，利用多种有机半导体材料生长pn结、异质结、量子阱、多量子阱等多层有机单晶结构。该设备特征为：1.至少具有两个温度控制区域，分别用于材料的升华和单晶的生长；2.两个温度控制区域相邻平行，温度可快速、独立调控；3.第一层单晶生长结束后，无需单晶表面与空气接触即可完成源材料的更换，进行后续第二层单晶生长。
A Growth Device for Multilayer Organic Single Crystal Structure
The invention relates to a growth device of multi-layer organic single crystal structure, which utilizes a variety of organic semiconductor materials to grow multi-layer organic single crystal structures such as PN junctions, heterojunctions, quantum wells and multi-quantum wells. The equipment features: 1. At least two temperature control regions are used for material sublimation and single crystal growth; 2. The two temperature control regions are adjacent and parallel, and the temperature can be controlled quickly and independently; 3. After the first layer of single crystal growth, the source material can be replaced without contact with air, and the second layer of single crystal growth can be carried out subsequently.
【技术实现步骤摘要】
一种多层有机单晶结构的生长装置
本专利技术涉及有机半导体材料
，具体涉及一种多层有机单晶结构的生长装置。
技术介绍
pn结是制备太阳能电池(SC)、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和双极型晶体管等光电及电子半导体器件的关键结构。目前，备受期待的下一代光电器件——有机发光二极管(OLED)已实现大批量生产，应用于电视和显示屏的制备，并逐步走入人们的生活。然而，除OLED之外的其他器件，例如有机太阳能电池(OSC)、有机激光器(OLD)等，仍处于基础研究和深入理解的发展阶段。相较于有机多晶材料，有机单晶材料消除了晶界干扰、具有高度有序的结构，因而能够反映材料本征的载流子传输特性，以有机单晶薄膜为活性层制备的场效应晶体管(TFT)已被广泛应用于材料的性能研究。由于生长多层单晶结构具有极大的技术难度，目前的研究仍主要集中于以于单层单晶薄膜为基础的器件结构。前人的开创性工作展现了有机半导体领域的蓬勃生机和未来的无限可能，红荧烯(rubrene)作为高性能p型有机半导体材料的代表，其单晶TFT的迁移率高达40cm2/Vs，[1]并具有各向异性的传输特性。[2,3]此外，红荧烯单晶中激子的扩散长度可达数微米，而相应多晶中扩散长度仅有数纳米。[4]迁移率及激子扩散长度的优势使得有机单晶pn结成为了制备高性能机太阳能电池(OSC)的理想单元。已有文献报道，利用n型和p型材料的混合溶液可生长有机单晶SC结构。[5,6]尽管该方法成功获得了双层单晶结构，但器件效率极低，更关键的问题在于，无法实现单晶薄膜的尺寸和厚度控制。如果能够发展生长单晶p-i-n结构(包括异质结构)的方法，那么就能利用有机材料设计和制备性能可与无机材料媲美的器件。然而，由于缺乏合适的制造设备，目前仍难以获得可精确控制界面、厚度的全单晶结构。目前，有许多研究机构致力于单晶PN结和异质结的制备，然而鲜有文献报道成功案例。日本的课题组研究了以单晶并四苯[3]或并五苯[4-5]薄膜为衬底，生长C60的机理。他们利用真空蒸镀设备，通过改变衬底温度生长C60，然而获得的第二层薄膜并非单晶。其他课题组尝试研究有机pn结的特性，但是同样无法在有机单晶衬底上成功生长第二层单晶。在这种情况下，胡文平、Briseno及共同作者使用十六氟酞菁铜(F16CuPc，n型材料)和酞菁铜(CuPc，p型材料)，利用气相外延生长的方法获得了有机单晶pn结纳米带。[6]他们将预先生长的酞菁铜单晶纳米带作为外延生长的模板，诱导十六氟酞菁铜形成一维的单晶异质结，并研究了基于该单晶异质结的有机太阳能电池的性能。尽管这一工作完成了生长有机单晶异质结的挑战，却无法系统性地进行更深入的研究。因此，必须发展一套生长单晶pn、异质结和多层结构的新方法。参考文献[1]J.Takeya,M.Yamagishi,Y.Tominari,R.Hirahara,Y.Nakazawa,T.Nishikawa,T.Kawase,T.Shimoda,S.Ogawa,Appl.Phys.Lett.90,102120(2007).[2]V.C.Sundar,J.Zaumseil,V.Podzorov,E.Menard,R.L.Willett,T.Someya,M.E.Gershenson,J.A.Rogers,Science303,1644(2004).[3]C.ReeseandZ.Bao,Adv.Mater.19,4535(2007).[4]H.Najafov,B.Lee,Q.Zhou,L.C.Feldman,andV.Podzorov,NatureMater.9,938(2010).[5]C.Fan,A.P.Zoombelt,H.Jiang,W.Fu,J.Wu,W.Yuan,Y.Wang,H.Li,H.Chen,andZ.Bao,Adv.Mater.2013,25,5762–5766.[6]H.Li,C.Fan,W.Fu,H.L.Xin,andH.Chen,Angew.Chem.54,956–960(2015).[7]Y.Zhang,H.Dong,Q.Tang,W.Chen,S.Ferdous,S.C.B.Mannsfeld,W.Hu,A.L.Briseno,J.Am.Chem.Soc.132,11580-11584(2010).
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题包括：提供一种多层有机单晶结构的生长装置，解决现有技术中多层有机单晶结构形成困难的问题。本专利技术解决上述问题的技术方案为：提供一种多层有机单晶结构的生长装置，包括放置于惰性气体气氛保护下的气相生长单元，所述气相生长单元包括进气封头以及与所述进气封头可拆卸连接的气流套管，所述气流套管内设置源材料升华区和生长区。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述进气封头与所述气流套管连接的区域为源材料引入区，打开所述进气封头与所述气流套管之间的连接以更换材料。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述气流套管与所述进气封头的连接处设置的第一O型圈，所述第一O型圈的附近安装第一水冷系统。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述气相生长单元还包括出气封头，所述气流套管远离所述进气封头的一端与所述出气封头连接。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述气流套管与所述出气封头可拆卸连接，所述气流套管与所述出气封头的连接处设置的第二O型圈，所述第二O型圈的附近安装第二水冷系统。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述源材料升华区和所述生长区间隔设置，间隔距离大于5mm，分别使用独立的电阻加热板控制温度。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述源材料升华区和所述生长区可沿轨道滑动，并固定于特定位点。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，还包括从上部覆盖所述源材料升华区和所述生长区的引流件，所述引流件的顶部略倾斜，使其开口大，出口小，内部气流直接吹向衬底。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述引流件的底部延伸出覆盖板，所述覆盖板设置在所述源材料升华区和所述生长区的间隔至少一部分空隙中。在本专利技术提供的多层有机单晶结构的生长装置中，所述进气封头上设置第一载气引入管和第二载气引入管，所述第一载气引入管的气流方向与所述气流套管的径向延伸方向平行，所述第二载气引入管的气流方向与所述气流套管的径向延伸方向垂直。实施本专利技术，具有如下有益效果：该装置结构紧凑，气相生长单元与空气隔绝，打开气相生长单元更换材料时，材料与单晶均无需与空气接触。各温度控制区域均使用独立的电阻加热板控制温度，因此面内无温度分布，并且可保证温度的快速、精确调控。由于源材料的蒸气直接吹向衬底，相比传统的物理气相传输设备，该设备的源材料损失更少。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为传统物理气相传输设备的示意图；图2为本专利技术多层有机单晶结构的生长装置的结构示意图；图3为本专利技术多层有机单晶结构的生长装置气相生长单元的结构示意图；图4为本专利技术多层有机单晶结构的生长装置引流件的结构示意图；图5为红荧烯单晶的饱和(不饱和)曲线；图6为使用本专利技术多层有机单晶结构的生长装置生长的红荧烯单晶；(a)源材料升华温度300℃，生长区温度200℃本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多层有机单晶结构的生长装置，其特征在于，包括放置于惰性气体气氛保护下的气相生长单元，所述气相生长单元包括进气封头以及与所述进气封头可拆卸连接的气流套管，所述气流套管内设置源材料升华区和生长区。
【技术特征摘要】
1.一种多层有机单晶结构的生长装置，其特征在于，包括放置于惰性气体气氛保护下的气相生长单元，所述气相生长单元包括进气封头以及与所述进气封头可拆卸连接的气流套管，所述气流套管内设置源材料升华区和生长区。2.根据权利要求1所述的多层有机单晶结构的生长装置，其特征在于，所述进气封头与所述气流套管连接的区域为源材料引入区，打开所述进气封头与所述气流套管之间的连接以更换材料。3.根据权利要求1所述的多层有机单晶结构的生长装置，其特征在于，所述气流套管与所述进气封头的连接处设置的第一O型圈，所述第一O型圈的附近安装第一水冷系统。4.根据权利要求1所述的多层有机单晶结构的生长装置，其特征在于，所述气相生长单元还包括出气封头，所述气流套管远离所述进气封头的一端与所述出气封头连接。5.根据权利要求4所述的多层有机单晶结构的生长装置，其特征在于，所述气流套管与所述出气封头可拆卸连接，所述气流套管与所述出气封头的连接处设置的第二O型圈，所述第二O型圈的附近安装第二水冷系统。...
【专利技术属性】
技术研发人员：后藤修，陈默，曾兴为，魏潇赟，孟鸿，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。