[发明专利]一种有机半导体薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开一种有机半导体薄膜及其制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：制备具有壳层结构的无机纳米晶；对具有壳层结构的无机纳米晶中的阴离子及金属离子进行同步离子交换，获得具有壳层结构的结构相对稳定的改性无机纳米晶；将所述具有壳层结构的改性无机纳米晶与共轭有机小分子共同分散于有机溶剂中，获得分散液；通过所述分散液形成所述有机半导体薄膜。本发明通过独立调控有机半导体薄膜材料的光电性能和结晶形貌，获得同时具有优异光学性能和载流子输运性能的有机半导体薄膜材料。

技术领域

本发明属于半导体材料制备领域，特别是涉及一种有机半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

在高性能半导体器件中，半导体功能层通常要求为单晶形貌，且在界面处缺陷密度很低。现有半导体工艺主要是基于二维平面结构的气相外延生长技术，形成高质量的无机半导体单晶材料，这种方法可以保证其界面陷阱密度足够小。但是气相外延生长工艺要求衬底为高质量单晶，因此无法应用于玻璃、塑料等价格低廉的透明非晶衬底上。采用溶胶凝胶法可以在非晶玻璃衬底上形成特殊的面外取向的多晶薄膜，证明溶液法制备的无机薄膜在特定工艺条件下有可能出现外延生长行为，但是相应的工艺窗口小，而且薄膜内部存在大量晶界和电荷陷阱，因而限制了该方法在半导体器件中的应用。在溶液环境下，无机材料通常形成多晶形貌，因而器件性能不够理想，晶界还会导致器件稳定性下降。但在溶液环境下，有机半导体通过分子间范德华力作用可以形成大尺寸单晶薄膜，从而抑制晶界缺陷对器件性能的影响。无机纳米晶的电致发光器件，通过界面晶格的严格匹配或梯度合金技术抑制界面电荷陷阱对发光性能的影响。钙钛矿纳米晶同样需要通过有机表面配体的钝化作用提高荧光量子效率。具有较长碳链结构的油胺和油酸等有机分子作为量子点表面钝化层，存在热稳定性和光稳定性差的问题。热处理或光照会导致钙钛矿纳米晶的表面钝化作用减弱，因而其电致发光器件的外量子效率很难突破10％；无定型形态的表面配体也阻碍了载流子的注入和传输，限制了器件的亮度。针对这一问题，现有技术努力通过选择短链的配体，减小量子点间距，从而提高纳米晶发光层的电子传输特性。从光致发光性能上看，这类发光材料在有效降低表面电荷陷阱密度的情况下，可抑制非辐射复合，往往表现为更长的荧光寿命，在一定程度上确实提升了荧光量子效率。然而，量子点间距的缩小又会导致近邻量子点间增强的荧光共振能量转移(FRET)，同样是导致荧光强度下降的重要原因。另外，由于共轭有机小分子通过分子间π-π相互作用引起分子的有序排列，形成具有面外和面内取向特征的有机半导体薄膜，但是薄膜的结晶度与衬底材料关系密切。此外，尽管在各种衬底上生长的薄膜具有很强的(002)和(003)XRD衍射峰，更高阶的衍射峰很少会出现，说明基于衬底表面结构的外延生长，其晶格关联局限在很小的区域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机半导体薄膜及其制备方法，所述有机半导体薄膜是基于无机纳米晶模板和分数晶格匹配关系的溶液外延有机半导体薄膜，旨在通过独立调控有机半导体薄膜材料的光电性能和结晶形貌，获得同时具有优异光学性能和载流子输运性能的有机半导体薄膜材料。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种有机半导体薄膜的制备方法，其至少包括以下步骤：

制备具有壳层结构的无机纳米晶，所述具有壳层结构的无机纳米晶包含至少一种金属离子和一种阴离子；

采用一种不同于所述具有壳层结构的无机纳米晶的异种纳米晶，对所述具有壳层结构的无机纳米晶中的阴离子及金属离子进行同步离子交换，获得具有壳层结构的改性无机纳米晶，所述异种纳米晶中包含不同于所述具有壳层结构的无机纳米晶中的阴离子和金属离子的元素；

将所述具有壳层结构的改性无机纳米晶与有机小分子共同分散于有机溶剂中，获得分散液，所述有机小分子具有共轭分子结构，所述有机小分子与所述改性无机纳米晶满足晶格参数的分数匹配关系；

通过所述分散液形成所述有机半导体薄膜。

在本发明的一个实施例中，所述改性无机纳米晶与共轭有机小分子满足晶格参数的分数匹配关系。