大面积有机半导体单晶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种大面积有机半导体单晶及其制备方法和应用，大面积有机半导体单晶的制备方法包括以下步骤：使基底保持40～60℃的温度，在所述基底的上表面设置一刮刀，位于所述刮刀底端的刀刃与所述基底的上表面的距离为5～20微米，在刮刀和基底之间滴加浓度为1～10mg/mL的有机半导体溶液，以0.01～0.4mm/s的速度移动刮刀或基底，以使基底和刮刀发生相对移动，在所述刀刃经过的基底上得到所述大面积有机半导体单晶。本发明专利技术大面积有机半导体单晶的制备都是在室温20～25℃下进行的，避免了高温对有机半导体性能的影响。由于间距的减小使得分子受到的剪切应力大大增加，使得最终形成大面积的单晶膜。

【技术实现步骤摘要】
大面积有机半导体单晶及其制备方法和应用
本专利技术属于有机半导体
，具体来说涉及一种大面积有机半导体单晶及其制备方法和应用。
技术介绍
二维有机半导体晶体有效地结合了有机单晶中分子排列长程有序、无晶界、杂质与缺陷少以及二维材料柔韧性好、透明性高、易于制做高集成度器件的优点，是研究材料结构与性能关系、揭示有机半导体材料的本征性能、探索载流子传输模式、构筑高性能晶体管器件和大规模柔性集成电路的最佳选择，近年来吸引了人们越来越多的专注。单晶既是广泛应用于半导体器件、固体激光器件、光学仪器和仪表等的重要材料，同时在固体理论研究中发挥了重要作用。在实际应用中，人们总是希望获得更大体积、更高质量的晶体，这就需要不断探索晶体的生长技术，研究晶体的生长规律，按实际需求生长晶体。较于相应三维块材晶体，超薄的二维晶体除了与生俱来的柔韧性，还可以体现出材料增强的本征性能，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。有机晶体靠弱的范德华力结合，这种弱的相互作用导致有机单晶的生长极易受到外界条件(溶剂种类、溶液浓度、温度、湿度等)的影响，使得有机单晶多以微纳晶或者多晶的状态存在。有机单晶的生长涉及到复杂的分子间相互作用，包括同种分子之间与异质分子之间的相互作用，如何了解、控制和利用这些相互作用，设计恰当的晶体生长方法，制备得到满足需求的二维有机半导体晶体，就成了一个亟待解决的难题。目前，二维有机半导体晶体不同于无机晶体，其研究存在一个突出问题：晶体的可控生长。不同于无机晶体，有机晶体中分子以弱的范德华力相结合，影响分子结晶的因素十分复杂。同时，与无机半导体材料相比，有机半导体分子种类繁多，在有机合成学家们的持续努力下，新的有机半导体分子不断涌现。如何从大量的有机半导体分子中寻找到合适的分子并设计相应的晶体生长技术，对于制备二维有机半导体晶体来说，是一个非常大的挑战。传统的无机半导体材料和器件目前使用自上而下的制造方法制造，该方法涉及多个数千华氏度的高温处理步骤。溶液法制备有机半导体的主要挑战之一是在印刷/涂覆过程中对薄膜形态的控制，往往不同的薄膜形态构筑的器件性能具有数量级上的差异。所以我们在溶液加工有机半导体时，对半导体薄膜的形态控制是非常重要的。目前主流的有机半导体材料制备方法主要有热蒸镀、提拉法、溶液外延法。这些都不能达到对有机半导体成膜过程中精确的控制。其中蒸镀的薄膜都是完全无序的，其他方法都属于溶液法，目前使用这些方法制备的薄膜基本单晶尺寸都在微米或者毫米级别，即使是相同的溶液剪切法，目前设备基本达不到5um这么高的精度，所以制备的薄膜单晶区域基本都在毫米级别。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种大面积有机半导体单晶的制备方法。本专利技术的另一目的是提供上述制备方法获得的大面积有机半导体单晶，该大面积有机半导体单晶的面积最大能够达到3*3cm2。本专利技术的另一目的是提供上述大面积有机半导体单晶构筑场效应晶体管后在提高迁移率和开关比中的应用。本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。一种大面积有机半导体单晶的制备方法，包括以下步骤：使基底保持40～60℃的温度，在所述基底的上表面设置一刮刀，位于所述刮刀底端的刀刃与所述基底的上表面的距离为5～20微米，在刮刀和基底之间滴加浓度为1～10mg/mL的有机半导体溶液，以0.01～0.4mm/s的速度移动刮刀或基底，以使基底和刮刀发生相对移动，在所述刀刃经过的基底上得到所述大面积有机半导体单晶。在上述技术方案中，所述基底为硅片。在上述技术方案中，所述有机半导体溶液的溶质为C6-DPA或C8-BTBT。在上述技术方案中，当所述有机半导体溶液的溶质为C8-BTBT时，有机半导体溶液的浓度为5～10mg/mL。在上述技术方案中，当所述有机半导体溶液的溶质为C6-DPA时，有机半导体溶液的浓度为1～5mg/mL。在上述技术方案中，使基底保持的温度优选为40～50℃。在上述技术方案中，所述刀刃与所述基底的上表面的距离为5～10微米，优选为5～8微米。在上述技术方案中，所述有机半导体溶液的溶剂为氯苯。在上述技术方案中，滴加有机半导体溶液的体积为10～50微升。在上述技术方案中，所述刮刀朝向所述大面积有机半导体单晶的铺展方向倾斜，倾斜的锐角为15～30°。上述制备方法获得的大面积有机半导体单晶。在上述技术方案中，所述大面积有机半导体单晶的厚度为5～42nm。在上述技术方案中，所述大面积有机半导体单晶的面积最高能达到3*3cm2。上述大面积有机半导体单晶构筑场效应晶体管后在提高迁移率和开关比中的应用。在上述技术方案中，当所述有机半导体溶液的溶质为C8-BTBT时，该大面积有机半导体单晶形成场效应晶体管的平均迁移率为12.7cm2V-1s-1，最高迁移率为17.7cm2V-1s-1，开关最高超过1010。在上述技术方案中，当所述有机半导体溶液的溶质为C6-DPA时，该大面积有机半导体单晶形成场效应晶体管的空穴迁移率平均为1.0cm2V-1s-1，最高迁移率可达2cm2V-1s-1，开关比最高达到108。相比于现有技术，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术大面积有机半导体单晶的制备都是在室温20～25℃下进行的，避免了高温对有机半导体性能的影响。2、由于间距的减小使得分子受到的剪切应力大大增加，使得最终形成大面积的单晶膜。附图说明图1为对于顶部刮刀与基底之间的不同间距的剪切应力梯度示意图；图2为C6-DPA的分子；图3(a)为实施例8所得大面积有机半导体单晶旋转0°的偏光显微镜照片；图3(b)为实施例8所得大面积有机半导体单晶旋转45°的偏光显微镜照片；图4(a)为实施例8所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的转移曲线；图4(b)为实施例8所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的输出曲线；图5为C8-BTBT的分子；图6(a)为实施例2所得大面积有机半导体单晶旋转0°的偏光显微镜照片；图6(b)为实施例2所得大面积有机半导体单晶旋转45°的偏光显微镜照片；图7(a)为实施例2所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的转移曲线；图7(b)为实施例2所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的输出曲线；图8为本专利技术的新型可控有机晶体生长设备的结构示意图。图9(a)为实施例1所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的转移曲线；图9(b)为实施例1所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的输出曲线；图10(a)为实施例3所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的转移曲线；图10(b)为实施例3所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的输出曲线；图11(a)为实施例4所得大面积有机半导体单晶的构筑的场效应晶体管的转移曲线；图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大面积有机半导体单晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：使基底保持40～60℃的温度，在所述基底的上表面设置一刮刀，位于所述刮刀底端的刀刃与所述基底的上表面的距离为5～20微米，在刮刀和基底之间滴加浓度为1～10mg/mL的有机半导体溶液，以0.01～0.4mm/s的速度移动刮刀或基底，以使基底和刮刀发生相对移动，在所述刀刃经过的基底上得到所述大面积有机半导体单晶。/n

【技术特征摘要】
1.一种大面积有机半导体单晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：使基底保持40～60℃的温度，在所述基底的上表面设置一刮刀，位于所述刮刀底端的刀刃与所述基底的上表面的距离为5～20微米，在刮刀和基底之间滴加浓度为1～10mg/mL的有机半导体溶液，以0.01～0.4mm/s的速度移动刮刀或基底，以使基底和刮刀发生相对移动，在所述刀刃经过的基底上得到所述大面积有机半导体单晶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底为硅片。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机半导体溶液的溶质为C6-DPA或C8-BTBT。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述有机半导体溶液的溶剂为氯苯。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，滴加有机半导体溶液的体积为10～50微升。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述刮...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文平，汪涛，任晓辰，段树铭，耿博文，高雄，张静，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12