单分子层分子晶体的掺杂与应用

本发明涉及单分子层分子晶体的掺杂与应用，属于有机半导体材料领域。

背景技术：

1、有机场效应晶体管的导电沟道减薄至单个分子层厚度时，则会表现出独特的性能，可以在保持相同或更好的电荷传输特性的同时大大降低半导体的接触电阻，使得电极和半导体之间的电荷注入更加高效，降低材料的消耗。并且由于其单分子层厚度的特性，导电沟道能够完全直接地暴露出来，因此，对外界刺激的干扰更加敏感。

2、目前小分子晶体的掺杂多采用溶液过程缓慢地沉积在半导体的晶体表面上，且都是基于多层分子晶体的研究，其存在体相扩散、掺杂机制不明晰、掺杂效率低等因素而导致导电性差而被限制。单分子层分子晶体(monolayer molecular crystals,mmc)由于其超薄厚度的优势且比表面积大，比厚晶体的离子注入效率更高，在掺杂方面具有天然的研究优势。然而迄今为止对于单层晶体的掺杂还未被开发，且由于mmc在掺杂方式也存在一定的限制，比如利用传统的溶液法掺杂单层分子晶体容易破坏晶体的形貌和结构。特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种单分子层分子晶体(mmcs)的掺杂方法，以解决多层分子晶体存在的体相掺杂扩散、掺杂机制不明晰、掺杂效率低等问题；本发明制备的掺杂的mmcs具有良好的电导率，有利于降低在场效应晶体管中的半导体和电极之间的接触电阻。

2、本发明提供的单分子层分子晶体的制备方法，包括如下步骤：

3、s1、采用有机小分子和掺杂剂分别配制有机小分子溶液和掺杂剂溶液；

4、s2、将所述有机小分子溶液和所述掺杂剂溶液等体积混合，得到混合溶液；

5、s3、将模板置于基底上；

6、s4、将所述混合溶液滴加至所述模板上，放置至所述混合溶液中的溶剂完全挥发，即在所述基底上得到掺杂的单分子层分子晶体。

7、本发明制备方法中，步骤s1中，所述有机小分子为蒽、蒽衍生物、噻吩或噻吩衍生物；

8、其中蒽衍生物如c6-dpa，噻吩衍生物如hteb，结构式如下所示：

9、

10、所述有机小分子溶液中，所述有机小分子的物质的量浓度为0.1～5mg/ml，优选为0.5～1mg/ml。

11、本发明制备方法中，步骤s1中，所述有机下分子溶液的配制方法如下：

12、将所述有机小分子加入至溶剂中进行超声分散，于30～80℃下加热溶解即得。

13、本发明制备方法中，步骤s1中，所述掺杂剂为cucl2、fecl3、litfsi和f4tcnq中至少一种，如f4tcnq/fecl3、litfsi/fecl3、f4tcnq/litfsi和fecl3/litfsi/f4tcnq，最优选fecl3/litfsi/f4tcnq。

14、本发明制备方法中，步骤s1中，所述掺杂剂溶液中，所述掺杂剂的浓度为饱和浓度或稀释10～104倍。

15、本发明制备方法中，步骤s1中，采用甲苯、氯苯或邻二氯苯配制所述有机小分子溶液和所述掺杂剂溶液。

16、本发明制备方法中，步骤s3中，所述基底为石英、玻璃、裸硅、二氧化硅和柔性基底中任意一种；

17、按照下述步骤处理所述基底：

18、所述基底切割后在超纯水中超声，然后转移至浓硫酸和双氧水的混合溶液中水浴加热，待冷却后再用所述超纯水超声，再利用异丙醇超声，n2气横向吹干放入培养皿中，在等离子清洗仪中处理。

19、本发明制备方法中，步骤s3中，所述模板由可提供毛细作用的材料制成，具体可为滤纸，裁剪好的滤纸比基底尺寸略小；

20、步骤s4中，在所述模板上滴加的所述有机小分子溶液的量为10～100u1/cm2，优选为20～40u1/cm2。

21、本发明制备方法中，步骤s4在手套箱(<10ppm h2o,o2)中进行，温度为20～35℃；

22、放置的时间为0.5～24h，优选为8～10h。

23、本发明方法制备得到的单分子层分子晶体也属于本发明的保护范围。

24、本发明具有如下有益技术效果：

25、1、本发明首次实现mmcs的掺杂制备。

26、2、本发明中所采用的制备方法简单，无需特殊的要求。

27、3、本发明中所需要的原料量极少，在实际生产过程中可以大大的降低成本。

28、4、本发明中制备的掺杂mmcs在基底分布均匀，直径在几十微米，适用于探索有机半导体的掺杂性能所需要的结构。

29、5、本发明中所制备的掺杂mmcs在ofet中提高了电流，降低了接触电阻。

技术特征：

1.一种单分子层分子晶体的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述有机小分子为蒽、蒽衍生物、噻吩或噻吩衍生物；

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述有机下分子溶液的配制方法如下：

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述掺杂剂为cucl2、fecl3、litfsi和f4tcnq中至少一种。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述掺杂剂溶液中，所述掺杂剂的浓度为饱和浓度或稀释10～104倍。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，采用甲苯、氯苯或邻二氯苯配制所述有机小分子溶液和所述掺杂剂溶液。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述基底为石英、玻璃、裸硅、二氧化硅和柔性基底中任意一种；

8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述模板由可提供毛细作用的材料制成；

9.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤s4在手套箱中进行，温度为20～35℃；

10.权利要求1-9中任一项所述方法制备的单分子层分子晶体。

技术总结
本发明公开了一种单分子层分子晶体的掺杂与应用。单分子层分子晶体的制备方法包括如下步骤：S1、采用有机小分子和掺杂剂分别配制有机小分子溶液和掺杂剂溶液；S2、将有机小分子溶液和掺杂剂溶液等体积混合，得到混合溶液；S3、将模板置于基底上；S4、将混合溶液滴加至所述模板上，放置至混合溶液中的溶剂完全挥发，即在基底上得到掺杂的单分子层分子晶体。本发明制备的掺杂的MMCs形态均匀，具有高的电导率，且降低了在场效应晶体管中的半导体和电极之间的接触电阻。由于其超薄厚度的优势且比表面积大，相比于之前的多层分子晶体的掺杂的离子注入效率更高，展现出MMC掺杂的良好发展前景。

技术研发人员：江浪,樊艳伟,刘洁
受保护的技术使用者：中国科学院化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4