[发明专利]制备尺寸可控的高取向有机小分子半导体单晶图案的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备有机小分子半导体单晶图案的方法。更具体地说，本发明提供了一种制备大面积、高取向和尺寸可控的有机小分子半导体单晶图案的方法。

背景技术

有机/聚合物半导体材料正以其光电性能优异、生产成本低廉，加工工艺简单，选材范围宽广，性质调节方便，易于制成大面积器件，与柔性基底结合性好等显著优点，吸引了世界范围内的目光。利用有机半导体材料作为有源层制备的器件，例如有机场效应晶体管(organic

field effect transistor,OFET)、有机发光二极管(organic light‐emitting diodes,OLED)、有机太阳能电池(organic solar cells)和有机固体激光器(organic laser device)等飞速发展起来。有机半导体光电材料及器件的研究在材料科学和信息技术领域引起了激烈的国际竞争。

通常认为，有机材料中电荷的运输主要通过跳跃机制实现，电荷优先沿着π-π堆积的方向传播，但是由于有机分子间的结合为较弱的范德华力，致使有机晶体中存在大量的结构缺陷和晶界，会严重的束缚和散射载流子的漂移与扩散，降低器件性能，从而导致无法准确观测到材料的真实本征半导体特性，并且限制了器件的实际应用。有机聚合物和有机小分子半导体的形貌和晶体结构是获得高性能有机光电器件的关键。基于有机薄膜器件易于加工的特点，目前大部分提高器件性能的研究主要集中在制备和改善有机多晶薄膜结构上。然而，多晶薄膜中晶界、缺陷、杂质等结构缺陷在很大的程度上限制着有机器件的性能提高。相反，有机单晶以分子结构完善，晶界少，电荷陷阱少等优势成为了研究半导体本征性质，制备高性能的有机光电器件的最佳选择。有机单晶器件的制备主要通过人工挑选和定位移动单晶来实现，加工工艺复杂，很难实现大批量生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种制备大面积、尺寸可控、高取向的有机小分子半导体单晶图案的方法，简化有机单晶器件加工工艺，为批量生产有机单晶器件提供可能。

本发明基于毛细力刻蚀和聚合物辅助有机蒸汽处理，即聚合物辅助有机蒸汽处理毛细力刻蚀法。与传统的毛细力刻蚀不同的是，本发明采用溶剂软化样品。在聚合物辅助有机蒸汽处理毛细力刻蚀过程中，将与刚性硬模板紧密接触的有机小分子半导体/聚合物混合膜暴露在饱和有机蒸汽中，使其软化甚至部分溶解。在毛细力的作用下，聚合物带动有机小分子半导体沿模板侧壁攀升，填充入模板与基底形成的沟槽中，有机小分子半导体在模板图案限制和毛细力的双重作用下取向重结晶，最终在聚合物上形成高取向的有机小分子半导体单晶微结构。本发明通过调控聚合物种类、混合溶液浓度、有机溶剂种类以及蒸汽压，可以在聚合物表面上形成大面积、尺寸均一、高取向的有机小分子半导体单晶图案。

所述的制备尺寸可控的高取向有机小分子半导体单晶图案的方法，包括下列步骤：

第一步，对模板进行防粘处理。

将模板依次进行去离子水、丙酮、乙醇超声清洗，氧等离子体处理；然后将模板置于盛有全氟十二烷基三氯硅烷(1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltrichlorosilane)蒸汽的干燥器中加热到90℃处理4h，取出备用；

所述模板选择硅模板或者石英模板，模板表面具有等间距的条纹或具有矩形条纹的微米级图案，起到限制晶体尺寸和形状的作用。所述条纹间距或矩形条纹图案宽度为5μm～52μm，深3～5μm。

第二步，配置聚合物和有机小分子半导体的混合溶液，通过旋涂或者滴涂的方式在基底上形成混合膜。

所述的基底选择玻璃或者硅基底。

所述的有机小分子半导体是能够结晶并且在有机溶剂中可溶。

所述的聚合物和所述有机小分子半导体在同一种有机溶剂中是可溶的。

所述的有机溶剂可以选择低沸点的有机溶剂如氯仿、四氢呋喃、二氯甲烷等，也可以是高沸点的有机溶剂如：甲苯、二氯苯、苯甲醚等。

所述的聚合物和有机小分子半导体混合溶液中聚合物和有机小分子半导体的质量比例为1:1，混合溶液的浓度受不同有机小分子半导体溶解度的限制，一般选取浓度范围是质量百分比为1％～7％。

第三步，将基底上的混合膜与模板上的微米级图案紧密接触，然后置于饱和有机蒸汽中处理10h～24h，处理温度可以优选为23℃～60℃。

所述的混合膜与模板紧密接触是通过额外施加0.1MPa～0.5Mpa的外力实现的。