[发明专利]应用于薄膜器件工艺的水基有机纳米墨水及制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于塑料电子科技与工业技术领域。具体涉及一种超薄有机纳米片的墨水、水溶液加工技术及其应用有机薄膜电子器件。

背景技术

水基溶液加工的有机薄膜光电子器件，对比与传统有机溶剂加工方法，具有绿色环保，成本低廉的优点而受到重视。同时，采用水基有机纳米墨水摒弃传统技术中的含氯、芳香性溶剂，不危害或毒害自然环境，因此具有重大的实用价值。水基纳米墨水兼容包括丝网印刷，喷墨打印，旋转涂覆，刮刀涂覆，连续卷对卷的加工工艺，其工艺简便，可以应用批量生产。兼容于多种不同的溶液加工手段应用于多层器件结构，可以应用于具备可弯曲，甚至折叠特点的柔性器件。

目前仅有两种方式能够实现有机/聚合物薄膜的水基加工。其中一种重要的方式是将可溶性的侧链通过化学修饰引入聚合物半导体中，多个课题组已有相当出色的工作。然而，这种方式需要大量的有机合成劳动，因此仍然不可避免的产生污染。另外一种有效而简便的替代策略是利用水溶液分散的有机纳米颗粒，实现水基加工的纳米薄膜。比如，已大量应用的聚噻吩乙二醇醚:聚乙烯苯磺酸（PEDOT:PSS）常作为聚合物电致发光器件（PLED）的空穴传输层或电子阻挡层。所谓“微乳液加工”也首次报道了基于梯形聚对苯撑纳米颗粒的PLED器件，随后共轭聚合物纳米颗粒用于聚合物太阳能电池以及具有光开关性质的有机纳米线晶态薄膜都陆续有了报道。尽管如此，从各种的有机纳米结构制备得到均一的大面积薄膜仍然是一项重大的挑战。

值得注意的是，二维纳米结构一直被认为是有利于集成到器件中的几何形态。目前，以石墨烯，二硫化钼（MoS₂）为代表的成本低廉的二维原子晶体和无机半导体纳米片也受到了越来越多的关注。但是，如何通过π-共轭分子自下而上的合成有机半导体纳米片（OSNS）是一项严峻的挑战。苝分子通过分子间的π-π堆积作用，有机金属杂化纳米片通过金属-金属相互作用以及电荷化的稠环芳烃能够制备得到30～80纳米厚的二维或准二维纳米结构。然而，超薄有机半导体纳米片（～10纳米或更薄）的研究更加迫切。作为首个超薄纳米片的例子，金属-金属相互作用被引入到7～12纳米的卟啉纳米片的设计中。Li等人报道了通过明确的超分子主客体自组装，葫芦尿分子可以实现形状大小可控的单分子厚度的自支撑纳米片。通过对称设计两亲性相互作用，两亲分子也可以导向二维各向异性的自组装。此外，Lee等人提出了在分子内电荷转移化合物中双方向性的偶极设计策略。总之，对于平面共轭分子来说，二维纳米自组装要求分子结构具有极高的对称性，因此极大的限制了二维生长平衡过程的设计。而非平面分子的几何形态提供了一种二维各向异性自组装有效的替代方案，对比二维分子的几何结构，从三维多面体结构释放到二维半导体有机纳米片要更加容易实现。

芴基螺环芳烃有机半导体及其衍生物是有机电致发光材料中的明星分子，具有容易处理、稳定的共轭链长、高的荧光效率、高热稳定性、和良好的电荷传输能力等优点，被应用到包括有机电致发光二极管蓝光材料、主体材料和有机场效应晶体管功能半导体在内的有机光电子器件中。其结构特点是：两个互相垂直的芳香平面通过中间的sp3碳原子键合在一起，形成了在空间上独特的“十字交叉”分子构型。因此以sp2和sp3杂化共存的螺环芳烃具有平面芳香烃相似的π-π堆积作用，同时空间非平面的分子构型赋予其有趣的静态位阻效应（SSH）。与传统π平面分子相比，螺环芳烃将超分子作用力从二维平面拓展到三维空间，具有与众不同的分子堆积方式。我们在前期的工作中，成功实现了螺环芳烃半导体纳米晶多面体形貌的制备。而将其作为核心结构，通过取代基效应控制分子间的相互作用和堆积方式，易于实现从三维多面体形貌向二维纳米片的发展。将上述芴基螺环芳烃超薄纳米片为水基加工制备大面积高结晶度均一的光电薄膜，提供了一种新颖的绿色经济的策略。能够在电致发光二极管，场效应晶体管，太阳能电池和电存储器件等有机光电子学器件中得到推广。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出应用于有机薄膜器件工艺的水基有机纳米墨水及制备和应用，将其以水基有机纳米墨水实现大面积制备的均一纳米薄膜，应用有机薄膜器件中。另外，指出了水基加工有机纳米片的策略有望实现有机电子器件的绿色，环境友好的工业化制备。

技术方案：本发明是一种应用于薄膜器件工艺的水基有机纳米墨水及其制备和应用，基于芴基螺环芳烃超薄纳米片的设计，水溶液分散的超薄纳米片（～10纳米），并用于有机光电薄膜的制备及半导体性质。

本发明应用于薄膜器件工艺的水基有机纳米墨水由有机纳米片、表面活性剂、助剂和水组成；其中组成比例为：