两种具有不同对称性的盘状多环芳烃n型有机半导体分子，由CDI或BPMI在基底表面沿能量最低的方向与基底作用而成，分子薄膜通过内部的态势变化，逐渐达到热力学的稳定，形成了高密度排列的二维结构。本发明专利技术利用多环盘状芳烃有机分子在固体表面的自组装的方法，获得了高度有序的半导体单层薄膜，其对于进一步调节和优化场效应晶体管、二极管、发光二极管、太阳能电池等方面的电子传输有及其重要的意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及对称与非对称的盘状多环芳烃n型有机半导体大分子在高定向热解石墨(HOPG)薄膜的制备方法，特别涉及通过改变BPMI和CDI两种分子的对称性分别制备了截然不同的高密度和孔状的单分子层膜自组装结构。
技术介绍
有机半导体分子薄膜在场效应晶体管、二极管、发光二极管、太阳能电池(SC)等方面有重要的应用，故其制备方法引发广泛的关注。有机半导体分子薄膜有许多优势：如有机物易于获得，能有效的降低器件制备的成本；有机薄膜可以大规模制备，适用于大面积器件的生产；有机电子器件的制备工艺更为简单，不需要严格的外部条件和苛刻的纯度要求；成膜技术的种类较多，如真空蒸镀技术；有机化合物种类多样，一些有机半导体分子既可以导电，又可以发光，便于光电集成；以有机聚合物制成的晶体管，其电学性能可以通过对有机分子结构进行适当的修饰(在分子链上接上或截去适当的原子和基团)进行改善。目前，有机半导体材料以及有机电子器件由于具有优异的性能、制作工艺及低廉的成本在工业和商业应用方面具有巨大的潜力。这些应用主要取决于异质界面纳米尺度形貌结构和电子结构，载流子在薄膜中的传输机理以及如何有效地通过控制有机半导体层的形貌来构筑高性能的有机薄膜仍然是当前研究的难点。我们从有机共轭小分子半导体材料出发通过不同的分子结构来优化和控制其薄膜结构，从而进一步提高载流子在半导体层的传输特性，为制备高性能的有机半导体薄膜器件提供了新的视角和途径。传统的微电子工业领域，人们一直在致力于改进制造方法从而生产更加精细的器件，但是很快就会达到理论上的极限尺寸。因此，一些新兴的可制造更小尺寸微电子器件的替代方案正在受到越来越多的关注，其中包括所谓的分子自组装这一方法。该方法通过使原子和分子在已经构造好的表面上进行自发的排列和结合，从而得到更小的纳米尺度的电子功能器件体系。通过这种手段，可以很容易的实现对器件形状，基底表面结构及成分的精确控制。一旦可以完全的了解和掌握这种自发结合过程的机理，便可以通过自组装这种形式使金属材料，半导体材料以及分子材料的表面纳米结构得到更加广泛的扩展。分子自组装在生物工程技术上的建模、分子器件、表面工程以及纳米科技领域已经有很广泛的应用。在未来的几十年中，分子自组装作为一种技术手段将会在新兴
产生巨大的影响。多环芳烃类有机物BPMI和CDI，π-共轭盘状的有机物具有良好的分子平面性和很强的刚性，该类化合物具有很强的化学稳定性，热稳定性，其分子结构的可设计性以及优异的光电性质得到了广泛的研究。这类材料一般可溶于有机溶液，加工处理方便，其超分子自组装在制备结构复杂、规则的功能纳米材料方面表现出了显著的优势，且是调控材料宏观性质的一种有效的方法。作为一种典型的n-型有机半导体材料，是构筑有机光电子器件如场效应晶体管、发光二极管和太阳能电池中活性层的重要材料。因此，π-共轭体系超分子自组装已经成为近年来信息、材料、生物等前沿领域的研究热点。目前，基于纳米材料的特殊性质和其在器件方面的应用，调控半导体分子纳米结构的重要性日益突显。由于π-共轭的有机多环芳香结构的小分子易于聚集的特点，结合现有的技术，调制出我们所需要的微观结构来控制有机半导体的光电性质，来提高有机太阳能转换、光导体、电致发光、有机无机复合半导体材料、有机光电分子器件的效率具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种对称的蔻二酰胺(CDI)分子的二维密排单分子层膜纳米结构。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案之一：一种对称的蔻二酰胺(CDI)分子的二维密排单分子层膜纳米结构，由CDI在基底表面沿能量最低的方向(例如在HOPG上沿<010>方向)与基底作用而成，分子薄膜通过内部的态势变化，逐渐达到热力学的稳定，形成了高密度排列的二维结构。多环结构受高定向热解石墨的晶格调制作用，在基底表面构成弥补型单分子层膜结构。本专利技术的目的之一还在于提供一种非对称的苯并苝单酰亚胺(BPMI)分子的二维孔状手性单分子层膜纳米结构，由BPMI在基底表面沿能量最低的方向(例如在HOPG上沿<010>方向)与基底作用而成，分子薄膜通过内部的态势变化，逐渐达到热力学的稳定，形成了孔状排列的二维结构。多环结构受高定向热解石墨的晶格调制作用，在基底表面构成弥补型单层膜结构。在上述方案中，构成高度有序的二维的自组装薄膜结构的分子CDI(蔻二酰胺)和BPMI(苯并苝酰胺)均在HOPG基底上平面排布的，通过分子之间的作用力(包括半导体分子之间和分子与溶剂之间)和分子与基底之间的协同相互作用得到的。本专利技术的两种多环盘状π共轭有机半导体分子自组装结构，具有不同对称性的n型有机半导体分子CDI和BPMI构筑分子层面的有序薄膜结构，该种分子具有大π共轭的结构，具有良好的光电性质，这两种二维自组装结构对提高太阳能电池转化率，提高光电器件效率具有重要的应用价值。优选地，所述的CDI和BPMI具有如下分子结构：所述的CDI和BPMI的合成路线分别见下式I和II：CDI和BPMI可通过下面的方法或任何已知或将来发现的方法合成。CDI合成：化合物苝和顺丁烯二酸酐和四氯代苯对醌摩尔数相同的条件下搅拌油浴在240℃加热反应10分钟，回流冷凝，得到化合物2。将化合物2和十二胺反应搅拌油浴在240℃下加热反应10分钟，回流冷凝，与氮,氮'-二甲基-1,3-丙二酰胺(1.0g,)混合，然后将咪唑(5.5g)加入到混合物中，180℃下氩气保护搅拌反应4小时，然后通过硅胶柱层析法纯化，即可得到纯度为95％的蔻二酰胺(CDI)。BPMI合成：化合物苝和顺丁烯二酸酐和四氯代苯对醌摩尔数相同的条件下搅拌油浴240℃加热反应10分钟，回流冷凝，得到化合物2。将化合物2(0.8g)与氮,氮'-二甲基-1,3-丙二酰胺(1.0g,)混合，然后将咪唑(5.5g)加入到混合物中，180℃下氩气保护搅拌反应4小时，然后通过硅胶柱层析法纯化，即得到的橙黄色的苯并苝单酰胺(BPMI)(95％)。本专利技术的目的之一还在于提供本专利技术所述的对称的蔻二酰胺分子的二维密排单分子层膜纳米结构或非对称的苯并苝单酰亚胺分子的二维孔状手性单分子层膜纳米结构的制备方法，包括如下步骤：(1)采用可溶解CDI或BPMI的溶剂配制含CDI或BPMI的溶液；(2)清洁处理基底；(3)将步骤(1)配置的含CDI或BPMI的溶液滴加到步骤(2)的新鲜基底上，溶质在基底表面扩散，溶液挥发，通过热力学稳定后即可得到二维有序的CDI或BPMI的单分子层膜纳米结构。作为优选，步骤(1)中配制在室温下进行。优选地，所用溶剂为1-辛基苯、C8-C20的长链烷烃类(例如十四烷)中的1种，优选为纯度≥99％的1-辛基苯。优选地，CDI或BPMI的纯度≥95％。优选地，CDI或BPMI的溶液的浓度为10-4-10-6mol/L，例如为3×10-6mol/L、9×10-6mol/L、15×10-6mol/L、30×10-6mol/L、50×10-6mol/L、75×10-6mol/L、90×10-6mol/L等。优选地，配制时采用超声分散。优选地，超声时的功率为100W，超声的时间为10分钟以上，优选为20分钟以上，以确保半导体分子可均匀地分散于溶剂中。作本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种对称的蔻二酰胺分子的二维密排单分子层膜纳米结构，其特征在于，由CDI在基底表面沿能量最低的方向与基底作用而成，分子薄膜通过内部的态势变化，逐渐达到热力学的稳定，形成了高密度排列的二维结构。
【技术特征摘要】
1.一种对称的蔻二酰胺分子的二维密排单分子层膜纳米结构，其特征在于，由CDI在基底表面沿能量最低的方向与基底作用而成，分子薄膜通过内部的态势变化，逐渐达到热力学的稳定，形成了高密度排列的二维结构。2.根据权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，所述CDI具有如下分子结构：。3.一种非对称的苯并苝单酰亚胺分子的二维孔状手性单分子层膜纳米结构，其特征在于，由BPMI在基底表面沿能量最低的方向与基底作用而成，分子薄膜通过内部的态势变化，逐渐达到热力学的稳定，形成了孔状排列的二维结构。4.根据权利要求3所述的纳米结构，其特征在于，所述BPMI具有如下分子结构：。5.一种权利要求1-4任一项所述的对称的蔻二酰胺分子的二维密排单分子层膜纳米结构或非对称的苯并苝单酰亚胺分子的二维孔状手性单分子层膜纳米结构的制备方法，包括如下步骤：(1)采用可溶解CDI或BPMI的溶剂配制含CDI或BPMI的溶液；(2)清洁处理基底；(3)将步骤(1)配置的含CDI或BPMI的溶液滴加到步骤(2)的基底上，溶质在基底表面扩散，溶液挥发，通过热力学稳定后即可得到二维有序...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓平，江鹏，张占军，梁明会，魏倩，李鑫，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11
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