一种有序手性分子链制备方法及SiC器件衬底
阅读说明：本技术 一种有序手性分子链制备方法及SiC器件衬底 (Ordered chiral molecular chain preparation method and SiC device substrate ) 是由 卢慧 王昊霖 皮孝东 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提拱了一种有序手性分子链制备方法及SiC器件衬底,包括如下步骤：清洗SiC单晶衬底,以去除所述SiC单晶衬底表面杂质；将SiC单晶衬底置于真空度为1.0×10～(-10)mbar～3.0×10～(-10)mbar的制备腔内,通过直流加热方式对SiC单晶衬底进行加热除气；随后将SiC单晶衬底在900℃和1400℃下循环加热90min；然后切断直流加热,使SiC单晶衬底温度降至室温,从而使SiC单晶衬底表面均匀地形成有双层石墨烯；向制备腔内热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子,使其在低温的SiC单晶衬底的双层石墨烯表面进行手性分离与自组装,当制备腔内真空度上升至1.0×10～(-9)mbar～3.0×10～(-9)mbar时,开始沉积分子,沉积一段时间分子后,可以制得大面积有序手性分子链。(The invention provides a preparation method of an ordered chiral molecular chain and a SiC device substrate, which comprises the following steps: cleaning the SiC single crystal substrate to remove impurities on the surface of the SiC single crystal substrate; placing the SiC single crystal substrate in a vacuum degree of 1.0X 10 ‑10 mbar～3.0×10 ‑10 In a mbar preparation cavity, the SiC single crystal substrate is heated and removed in a direct current heating modeGas; then circularly heating the SiC single crystal substrate at 900 ℃ and 1400 ℃ for 90 min; then cutting off direct current heating, and reducing the temperature of the SiC single crystal substrate to room temperature, so that double-layer graphene is uniformly formed on the surface of the SiC single crystal substrate; thermally evaporating 2,2 '-diphenylethynyl-4, 4' -dibromo biphenyl molecules into a preparation cavity, carrying out chiral separation and self-assembly on the surface of double-layer graphene of the low-temperature SiC single crystal substrate, and increasing the vacuum degree in the preparation cavity to 1.0 multiplied by 10 ‑9 mbar～3.0×10 ‑9 mbar, molecules are deposited, and after the molecules are deposited for a period of time, large-area ordered chiral molecular chains can be prepared.)
技术领域
本发明涉及手性分子分离与制备的技术领域，特别涉及一种基于2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯的有序手性分子链制备方法及SiC器件衬底。
背景技术
在化学领域中，有一大类分子存在手性异构体，它们就像左右手，虽然看上去一模一样，但不能重叠，这类分子被称为“手性分子”。手性分子从微观到宏观都起着十分重要的作用，例如，一些药物中的手性分子在生物活性、代谢过程和毒性等方面存在显著差别，有的差异甚至如“治病”和“致病”，存在天壤之别。近年来，由于手性分离在薄膜晶体管、多相催化化学和制药工程上的应用，手性分离引起人们的广泛关注，因此，如何更为经济、高效、便捷地将手性分子的“左右手”分开，成为重要的课题。
在现有技术中，手性分离一般采用结晶拆分法、化学拆分法、酶拆分法、膜拆分法、萃取拆分法、色谱拆分法等方法，例如，结晶拆分法是基于对映体与纯手性物形成非对映体盐或共价衍生物，再利用非对映体的性质差异进行分离，再将衍生物还原为纯对映体。化学拆分法是通过拆分试剂将两种对映体转化为非对映异构体，然后再利用非对映异构体之间物理化学性质的不同将两者拆分开。萃取拆分法是利用具有手性的萃取剂与前手性分子中两对映体亲和作用力的差异或化学作用差异来进行拆分的方法。
现有技术中上述的手性分离方法具有诸多缺点：例如，结晶拆分法存在需要耗时、耗力且与预期偏差大的缺点，化学拆分法存在产率、产品纯率不高、适用于手性拆分的对映体类型较少等缺点，酶拆分法具有酶制剂品种有限，制剂价格高的缺点，因此上述技术方案具有操作步骤复杂、分离效果差、无法分离制备出手性分子长链、且具有在一些原本没有手性或者在溶液中很难进行手性分离的情况下无法进行手性分离的缺点，2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯需在溶液中进行制备，制备完成的2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯就具有手性异构体，请参考图1，为2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子在2D平面上两个对映体的化学结构式，但上述2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的两个对映体在溶液中随机混杂在一起无法形成有序手性长链，且通过现有的方法很难将制备得到的2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子在溶液中进行手性分离。
发明内容
本发明为了克服现有技术中2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的两个对映体在溶液中随机混杂在一起无法形成有序手性长链，以及通过现有的方法很难将制备得到的2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子在溶液中进行手性分离的问题，提供一种有序手性分子链制备方法及SiC器件衬底。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种有序手性分子链的制备方法，包括：清洗SiC单晶衬底，去除所述SiC单晶衬底表面杂质；通过直流加热方式对SiC单晶衬底进行加热除气；随后将SiC单晶衬底在900℃和1400℃下循环加热90min；然后切断直流加热，使SiC单晶衬底温度降至室温，从而使SiC单晶衬底表面均匀地形成有双层石墨烯；将SiC单晶衬底置于真空度为1.0×10-10mbar～3.0×10-10mbar的制备腔内，SiC单晶衬底温度低于室温，向制备腔内热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子，使其在SiC单晶衬底的双层石墨烯表面进行手性分离与自组装，当制备腔内真空度上升至1.0×10-9mbar～3.0×10-9mbar时，开始沉积分子，沉积一段时间分子后，制得大面积有序手性分子链。
可选的，将SiC单晶衬底在900℃和1400℃下循环加热90min具体为：SiC单晶衬底在900℃加热15min，温度升高至1400℃加热15min为第一轮加热，重复以上步骤直到第三轮加热结束。
可选的，所述制备腔为扫描隧道显微镜的超高真空制备腔。
可选的，将SiC单晶衬底加热至600～650℃，并持续加热4～8h来对SiC单晶衬底进行加热除气。
可选的，热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的热蒸发温度为140～150℃，沉积时间为10～20min。
可选的，热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的热蒸发温度为143℃，SiC单晶衬底的温度低于0℃，沉积时间为15min。
可选的，热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的热蒸发温度为145℃，SiC单晶衬底的温度低于0℃，沉积时间为10min。
可选的，热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的热蒸发温度为145℃，SiC单晶衬底的温度低于0℃，沉积时间为15min
可选的，SiC单晶为4H-SiC(0001)或6H-SiC(0001)单晶。
本发明实施例还提供了一种SiC器件衬底，包括：SiC单晶衬底，通过上述的一种有序手性分子链制备方法在SiC单晶衬底表面均匀地形成有双层石墨烯以及位于双层石墨烯表面均匀排布的有序手性分子链。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明实施例提供了一种有序手性分子链制备方法及SiC器件衬底，对2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子具有优异的手性分离效果，先在SiC单晶衬底表面形成均匀的双层石墨烯，再通过热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子，使其在双层石墨烯表面进行手性分离与自组装，最终在SiC单晶衬底的双层石墨烯表面获得大面积、有序手性分子链，从而对SiC单晶衬底表面的双层石墨烯进行改性，为后续利用具有该改性后双层石墨烯的SiC单晶衬底制备相应SiC手性器件提供条件。
此外，通过改变热蒸发温度、反应时间、除气温度、除气时间等参数，能在SiC单晶衬底的双层石墨烯表面获得不同链长、不同致密度的有序手性分子链，且本发明实施例能够很好地控制最终生成的有序手性分子链的平均链长、平均宽度、覆盖度等参数，为后续大规模制备不同特性的SiC手性器件提供一种简单且灵活的解决方案。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明实施例的2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子在2D平面上两个对映体的化学结构式；
图2所示为本发明实施例制备的两种手性分子链的化学结构式。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例首先提供一种有序手性分子链制备方法，来分离图1所示两个对映体并制备出对应的手性分子长链。
在本发明第一实施例中，一种有序手性分子链制备方法按以下步骤进行：
步骤一：清洗SiC单晶衬底，以去除其表面杂质，其中SiC单晶可选用4H-SiC(0001)或6H-SiC(0001)。
具体的，清洗SiC单晶衬底，以去除其表面杂质可包括如下步骤：将n型氮掺杂、掺杂浓度为1.3×1018cm-3、尺寸为2×12mm2的SiC单晶衬底先用去离子水冲洗，随后在去离子水和乙醇中分别进行超声处理15min，然后用镊子将SiC单晶衬底从乙醇中夹出，随后用高纯度N2将SiC单晶衬底表面吹干。
上述SiC单晶衬底的尺寸、掺杂浓度、掺杂类型仅为本发明实施例提供的一种有序手性分子链制备方法中的一个试例，本领域技术人员可以根据需要，挑选不同尺寸、不同掺杂浓度、不同掺杂类型的SiC单晶衬底进行大面积有序手性分子链的制备，且上述采用不同尺寸、掺杂浓度、掺杂类型的SiC单晶衬底的技术方案都属于本发明的保护范围，故在此不再赘述。
本发明实施例的步骤一主要为了在SiC单晶衬底放入制备腔前对其进行清洁处理，去除SiC单晶衬底表面吸附的有机物等杂质，以免影响后续石墨烯生长以及使后续生成的有序手性分子纯度更高。
步骤二：将SiC单晶衬底置于真空度为1.0×10-10mbar～3.0×10-10mbar的制备腔内，通过直流加热方式对SiC单晶衬底进行加热除气，本实施例中，加热除气温度范围在600～650℃，加热除气时间为4～8h；随后将SiC单晶衬底在900℃和1400℃下循环加热90min；然后切断直流加热，使SiC单晶衬底温度降至室温，从而使SiC单晶衬底表面均匀地形成双层石墨烯，相比单层石墨烯在空间上具有更好的平整度。
其中所述制备腔可为扫描隧道显微镜的超高真空制备腔，且需要将SiC单晶衬底先固定在与扫描隧道显微镜超高真空制备腔的加热台相匹配的直流加热样品架上，并将Si面向上，再将SiC单晶衬底先放置在与超高真空制备腔连接的快速进样腔里，随后抽真空至5.0×10-7mbar，打开快速进样腔与制备腔之间的阀门，将SiC单晶衬底传送到扫描隧道显微镜的超高真空制备腔内的直流加热台上，再将超高真空制备腔加热至600～650℃，并加热4～8h，给SiC单晶衬底除气。
其中所述将SiC单晶衬底在900℃和1400℃下循环加热90min具体为：将SiC单晶衬底在900℃加热15min，温度升高至1400℃加热15min为第一轮加热，重复以上步骤直到第三轮加热结束。通过上述在900℃和1400℃下循环加热步骤，增加SiC单晶衬底表面的双层石墨烯的平整度，从而大大提高了后续2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的手性分离效果，大大降低了2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的分离难度并解决了2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子在溶液中无法进行手性分离的问题。
当选用扫描隧道显微镜的超高真空制备腔作为制备腔时，在切断直流加热并使SiC单晶衬底温度降至室温后，可将SiC单晶衬底置于扫描隧道显微镜温度为77K的分析腔内，并用扫描隧道显微镜确认SiC单晶衬底表面出现的双层石墨烯，所述双层石墨烯在整个SiC单晶衬底上均匀分布。
本发明实施例步骤二主要是为了在在整个SiC单晶衬底上均匀分布的双层石墨烯。
步骤三：
将温度低于室温SiC单晶衬底置于真空度为1.0×10-10mbar～3.0×10-10mbar的制备腔内；向制备腔内热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子，使其在SiC单晶衬底的双层石墨烯表面进行手性分离与自组装，当制备腔内真空度上升至1.0×10-9mbar～3.0×10-9mbar时，开始沉积分子，沉积一段时间分子后，制得大面积有序手性分子链。
请参考图2，为本发明实施例制得的两种手性分子链的化学结构式，分别对应左旋对映体(L)自组装而成的左旋分子链和右旋对映体(R)自组装而成的右旋分子链。
可将表面出现的双层石墨烯的SiC单晶衬底从扫描隧道显微镜的分析腔77K温度下移至制备腔内室温的样品台上，然后立即通过热蒸发向制备腔内蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子并使其沉积在低温SiC单晶衬底表面。
本发明第一实施例中，SiC单晶衬底的温度低于0℃，热蒸发2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子的热蒸发温度为143℃，当制备腔内真空度上升至1.0×10-9mbar～3.0×10-9mbar时开始沉积分子，沉积时间为10min，沉积结束后，关闭分子热蒸发电源，使沉积过程结束。
沉积过程结束后，可将SiC单晶衬底传送至分析腔，用低温扫描隧道显微镜进行观察，可以观察到左旋对映体(L)自组装而成的左旋分子链和右旋对映体(R)自组装而成的右旋分子链在双层石墨烯表面均匀、有序排布。
在本发明第一实施例中，其中左旋分子链和右旋分子链的链长分布在97nm～105nm之间，平均链长为100nm，手性分子链宽度分布在为1.9nm～2.0nm之间，平均宽度为1.95nm，致密度为60％，其中致密度为有序手性分子在双层石墨烯表面的覆盖密度。
本发明第二实施例与第一实施例不同点在于：步骤三中蒸发温度为145℃，沉积时间为10min，其他步骤和参数与本发明第一实施例相同。由于步骤二中采用用扫描隧道显微镜确认SiC单晶衬底表面出现的双层石墨烯，扫描隧道显微镜分析腔的温度为77K，因此能保证SiC单晶衬底的温度始终低于室温甚至低于283K，本发明第二实施例制得的手性分子链长分布在153nm～168nm之间，平均长度大小为160nm，手性分子链宽度分布在为1.9nm～2.0nm之间，平均宽度为1.95nm，致密度为68％。
在本发明第二实施例中，为了制得比本发明第一实施例平均链长更长、在双层石墨烯表面的覆盖密度更高的有序手性链分子，在步骤三中相应增加了蒸发温度，更有利于2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子分离自组装生成长链。
本发明第三实施例与第一、二实施例不同点在于：步骤三所述蒸发温度为145℃，沉积时间为15min，其他步骤和参数与本发明第一、二实施例相同。本发明第三实施例制得的手性分子链长分布在195nm～214nm之间，平均长度大小为200nm，手性分子链宽度分布在为1.9nm～2.0nm之间，平均宽度为1.95nm，且在SiC单晶衬底表面均匀分布，致密度为75％。
在本发明第三实施例中，为了制得相比本发明第二实施例平均链长更长、覆盖率更高的有序手性分子链，在步骤三中相应增加了沉积时间，从而使2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子更有利于在SiC单晶衬底分离自组装成长链。
本发明实施例提供的一种有序手性分子链制备方法，通过调节除气加热温度、加热时间、蒸发温度、沉积时间、SiC单晶衬底的温度，最终在SiC单晶衬底的双层石墨烯表面获得不同链长、不同致密度的有序手性分子链，从而更好的控制有序手性分子链的平均链长、平均宽度、覆盖度更好的控制等参数。
综上所述，本发明实施例提供的一种有序手性分子链制备方法，该制备方法工艺简单，可以在SiC单晶表面制备出大面积有序的手性分子长链，大大提升了相应手性分子制备过程中的可控性、高效性、重复性和高纯度性，使可控地、高效地、高纯度地通过2,2’-二苯乙炔基-4,4’-二溴联苯分子制备相应有序手性分子链并走向产业化应用成为可能。
本发明实施例还提供了一种SiC器件衬底，包括SiC单晶衬底，通过上述的一种有序手性分子链制备方法在SiC单晶衬底表面均匀地形成有双层石墨烯以及位于双层石墨烯表面均匀排布的有序手性分子链，从而对SiC单晶衬底表面的双层石墨烯进行改性，为后续利用具有该改性后双层石墨烯的SiC器件衬底制备相应SiC手性器件提供条件。
本发明实施例提供的一种SiC器件衬底具有双层石墨烯，以及双层石墨烯之上的有序手性分子链的结构，且所述有序手性分子链的平均链长、平均宽度、覆盖度等参数可通过改变制备工艺参数来进行调节，为后续大规模制备具有不同特性的SiC手性器件提供一种简单且灵活的解决方案。
最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。
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