一种有机半导体单晶及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种有机半导体单晶及其制备方法和应用 (Organic semiconductor single crystal and preparation method and application thereof ) 是由 刘城芳 王嘉波 李爽 赖文勇 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种有机半导体单晶及其制备方法和应用,属于有机电子器件技术领域。所述制备方法包括步骤如下：选取两种具有苯环共轭结构的有机半导体材料,混入有机溶剂后制成混合溶液,再将上述混合溶液滴加在基底上,待有机溶剂完全挥发后即得到所述有机半导体单晶,所述具有苯环共轭结构的有机半导体材料选自TrNa、TIPS、C8-BTBT或C6-DBTDT。本发明实现了高质量的有机半导体单晶制备及其优化,从而实现了场效应晶体管器件的低成本、高迁移率的制备。(The invention discloses an organic semiconductor single crystal and a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of organic electronic devices. The preparation method comprises the following steps: selecting two organic semiconductor materials with a benzene ring conjugated structure, mixing the two organic semiconductor materials with an organic solvent to prepare a mixed solution, then dropwise adding the mixed solution on a substrate, and obtaining the organic semiconductor single crystal after the organic solvent is completely volatilized, wherein the organic semiconductor material with the benzene ring conjugated structure is selected from TrNa, TIPS, C8-BTBT or C6-DBTDT. The invention realizes the preparation and optimization of high-quality organic semiconductor single crystals, thereby realizing the preparation of field effect transistor devices with low cost and high mobility.)
技术领域
本发明属于有机电子器件技术领域，具体涉及一种有机半导体单晶及其制备方法和应用。
背景技术
有机半导体单晶是相邻分子之间规则紧密堆积的结果，具有相对较弱的非共价键，如氢键、范德华力、电荷转移相互作用等。有机单晶能够反映材料最基本的特征，有利于对载流子传输通道的研究，为探索分子间的基本作用力、分子的堆积模式等对器件性能的影响提供了理想的模型体系，被认为是揭示有机半导体的内在性质和分析结构-性能关系的最佳载体。但是，在有机单晶中准确控制分子堆积排列以实现特定性能仍存在较大的挑战。一方面，分子构象和堆积对有机微晶的内部结构和对称性有显著的影响。另一方面，有机微晶通过弱的分子间相互作用结合在一起，这使得有机微晶的结晶过程强烈依赖于外部环境条件，包括溶剂的种类、温度、溶液浓度和表面活性剂。目前为止，对不同有机半导体单晶的生长进行动力学控制以优化光电性能仍然是一项艰巨的任务。因而，发展一种简单、便捷和低成本的制备高质量单晶的方法用以提高场效应晶体管器件的性能是十分重要的。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种有机半导体单晶及其制备方法和应用，实现了高质量的有机半导体单晶制备及其优化，从而实现了场效应晶体管器件的低成本、高迁移率的制备。
技术方案：一种有机半导体单晶的制备方法，所述制备方法包括步骤如下：选取两种具有苯环共轭结构的有机半导体材料，混入有机溶剂后制成混合溶液，再将上述混合溶液滴加在基底上，待有机溶剂完全挥发后即得到所述有机半导体单晶，所述具有苯环共轭结构的有机半导体材料选自TrNa、TIPS、C8-BTBT或C6-DBTDT；
所述TrNa的结构式如下式所示：
优选的，所述两种具有苯环共轭结构的有机半导体材料的质量比为1:1。
优选的，所述有机溶剂为二氯甲烷和甲醇的混合物。
优选的，所述二氯甲烷和甲醇的体积比为1:(1～4)。
优选的，所述基底为经过有机硅烷处理的硅片，所述有机硅烷为OTS或PMMA。
优选的，所述有机溶剂挥发的温度为10℃～40℃。
优选的，所述混合溶液的浓度为0.05mg/mL～10mg/mL。
由上述制备方法制得的有机半导体单晶。
上述有机半导体单晶在制备有机单晶场效应晶体管中的应用。
一种有机单晶场效应晶体管，包含所述的有机半导体单晶。
有益效果：本发明将两种具备π-π相互作用的有机半导体材料按特定比例共混，筛选合适的有机溶剂配置成溶液，采用溶剂缓慢挥发法，使两种有机半导体材料在保留原结晶形态的基础上进一步优化，从而获得高质量的有机单晶，最终获得高性能有机单晶场效应晶体管。
本发明的操作步骤均可在大气环境下进行，制作方法简单便捷，原材料也较容易获取，成本低。
本发明两种有机半导体材料会各自结晶，也会因为π-π相互作用而促进各组分的结晶，得到比两种有机半导体材料单独结晶时更高质量的单晶，器件迁移率达到1左右。
附图说明
图1是TrNa与TIPS的单晶图像，其中TrNa为棒状晶体，TIPS为菱形晶体；
图2是TrNa单晶的转移及输出曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1 TrNa的制备
按照下式所示的合成路线合成六萘基三并茚(TrNa)：
避光条件下，将六溴三并茚(TrBr)白色固体(100mg,0.075mmol),2-萘基硼酸白色固体(116.7mg,0.675mmol)，四丁基溴化铵(TBAB)白色固体(14.5mg,0.045mmol)和氢氧化钾(KOH)白色固体(38.2mg,0.68mmol)溶于3mL四氢呋喃(THF)中，待完全溶解后，在氮气保护条件下加入四三苯基膦钯(Pd(PPh3)4)(52.5mg,0.045mmol)，放入CEM Discover微波反应器中。设置反应温度150℃，功率200W。反应的温度通过反应器中的一个校准的红外温度控制装置进行监测，该腔室通过隔膜与容器相连，控制压力。保持150℃反应30min，降低温度至室温。反应混合液用DCM、水进行萃取有机层，再水洗多次，合并有机层，用无水硫酸镁干燥，抽滤，浓缩溶剂后进行柱层析，得到白色固体54mg，产率45％。得到TrNa的结构式如下式所示，其中R表示烷烃链：
实施例2有机半导体单晶的制备
第一步：p型重掺杂的SiO2/Si硅片基底预处理
使用的SiO2/Si硅片是重掺杂的p型硅片，具有300nm厚的SiO2层和10.5nF·cm-2的电容。将单面沉积了SiO2的硅片依次放入去离子水、乙醇、丙酮内超声15分钟，然后再用去离子水超声10分钟使基片表面冲洗干净，用氮气快速吹干后，进行紫外UV处理10分钟。最后进行OTS处理：用毛细管滴加十八烷基硅烷(Octadecylsilane-OTS，分子式为C18H40Si)溶液于培养皿中，硅片置于培养皿，放置于烘箱中并抽至真空，在120℃中烘3小时；
第二步：有机半导体单晶制备
配制TrNa与TIPS(即6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯)质量比为1:1的二氯甲烷和甲醇混合溶液，总浓度为0.5mg/mL，二氯甲烷和甲醇的体积比为1:2，超声溶解后滴注到第一步处理后的硅片上，在室温下置于密闭容器中静置一天，待溶剂完全挥发后，即可在硅片上得到有机半导体单晶结构；其中，TIPS的添加可以调节分子间的相互作用，改善TrNa的结晶形态。如图1所示，该有机半导体单晶由TrNa棒状晶体和TIPS菱形晶体构成，TrNa为棒状晶体，TIPS为菱形晶体，TrNa棒状晶体的直径约为1μm，长度约为40μm。该有机半导体单晶的转移及输出曲线如图2所示。
实施例3有机单晶场效应晶体管制备
在实施例2中所得的有机半导体单晶上采用真空蒸镀法沉积30nm～50nm厚的金电极即可制备TrNa有机单晶场效应晶体管。该晶体管自下而上依次包括：衬底(含栅极)，有机半导体单晶，垂直于所述有机半导体单晶之上的源电极和漏电极。
器件性能测试
用Keithley 4200 SCS半导体参数分析仪(Tektronix，Johnston，美国)在大气条件下下测量TrNa有机单晶场效应晶体管的电气特性，并在饱和区域中测量其迁移率。测得的TrNa单晶的场效应载流子迁移率为0.96cm2/V·s，开关比为105，阈值电压为-4.71V，具有较高的性能。
实施例4有机半导体单晶的制备
第一步：p型重掺杂的SiO2/Si硅片基底预处理
使用的SiO2/Si硅片是重掺杂的p型硅片，具有300nm厚的SiO2层和10.5nF·cm-2的电容。将单面沉积了SiO2的硅片依次放入去离子水、乙醇、丙酮内超声15分钟，然后再用去离子水超声10分钟使基片表面冲洗干净，用氮气快速吹干后，进行紫外UV处理10分钟。最后进行PMMA处理：用毛细管滴加PMMA溶液于培养皿中，硅片置于培养皿，放置于烘箱中并抽至真空，在120℃中烘3小时；
第二步：有机半导体单晶制备
配制C8-BTBT和C6-DBTDT质量比为1:1的二氯甲烷和甲醇混合溶液，总浓度为10mg/mL，二氯甲烷和甲醇的体积比为1:4，超声溶解后滴注到第一步处理后的硅片上，在室温下置于密闭容器中静置一天，待溶剂完全挥发后，即可在硅片上得到有机半导体单晶结构。
以上是本发明的实施例，需要说明的是本发明不限于这些实例，这些实例仅为了更好的理解本发明，依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。