一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，利用多種有機半導(dǎo)體材料生長pn結(jié)、異質(zhì)結(jié)、量子阱、多量子阱等多層有機單晶結(jié)構(gòu)。該設(shè)備特征為：1.至少具有兩個溫度控制區(qū)域，分別用于材料的升華和單晶的生長；2.兩個溫度控制區(qū)域相鄰平行，溫度可快速、獨立調(diào)控；3.第一層單晶生長結(jié)束后，無需單晶表面與空氣接觸即可完成源材料的更換，進行后續(xù)第二層單晶生長。

A Growth Device for Multilayer Organic Single Crystal Structure

The invention relates to a growth device of multi-layer organic single crystal structure, which utilizes a variety of organic semiconductor materials to grow multi-layer organic single crystal structures such as PN junctions, heterojunctions, quantum wells and multi-quantum wells. The equipment features: 1. At least two temperature control regions are used for material sublimation and single crystal growth; 2. The two temperature control regions are adjacent and parallel, and the temperature can be controlled quickly and independently; 3. After the first layer of single crystal growth, the source material can be replaced without contact with air, and the second layer of single crystal growth can be carried out subsequently.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置
本專利技術(shù)涉及有機半導(dǎo)體材料
，具體涉及一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置。
技術(shù)介紹
pn結(jié)是制備太陽能電池(SC)、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和雙極型晶體管等光電及電子半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。目前，備受期待的下一代光電器件——有機發(fā)光二極管(OLED)已實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，應(yīng)用于電視和顯示屏的制備，并逐步走入人們的生活。然而，除OLED之外的其他器件，例如有機太陽能電池(OSC)、有機激光器(OLD)等，仍處于基礎(chǔ)研究和深入理解的發(fā)展階段。相較于有機多晶材料，有機單晶材料消除了晶界干擾、具有高度有序的結(jié)構(gòu)，因而能夠反映材料本征的載流子傳輸特性，以有機單晶薄膜為活性層制備的場效應(yīng)晶體管(TFT)已被廣泛應(yīng)用于材料的性能研究。由于生長多層單晶結(jié)構(gòu)具有極大的技術(shù)難度，目前的研究仍主要集中于以于單層單晶薄膜為基礎(chǔ)的器件結(jié)構(gòu)。前人的開創(chuàng)性工作展現(xiàn)了有機半導(dǎo)體領(lǐng)域的蓬勃生機和未來的無限可能，紅熒烯(rubrene)作為高性能p型有機半導(dǎo)體材料的代表，其單晶TFT的遷移率高達40cm2/Vs，[1]并具有各向異性的傳輸特性。[2,3]此外，紅熒烯單晶中激子的擴散長度可達數(shù)微米，而相應(yīng)多晶中擴散長度僅有數(shù)納米。[4]遷移率及激子擴散長度的優(yōu)勢使得有機單晶pn結(jié)成為了制備高性能機太陽能電池(OSC)的理想單元。已有文獻報道，利用n型和p型材料的混合溶液可生長有機單晶SC結(jié)構(gòu)。[5,6]盡管該方法成功獲得了雙層單晶結(jié)構(gòu)，但器件效率極低，更關(guān)鍵的問題在于，無法實現(xiàn)單晶薄膜的尺寸和厚度控制。如果能夠發(fā)展生長單晶p-i-n結(jié)構(gòu)(包括異質(zhì)結(jié)構(gòu))的方法，那么就能利用有機材料設(shè)計和制備性能可與無機材料媲美的器件。然而，由于缺乏合適的制造設(shè)備，目前仍難以獲得可精確控制界面、厚度的全單晶結(jié)構(gòu)。目前，有許多研究機構(gòu)致力于單晶PN結(jié)和異質(zhì)結(jié)的制備，然而鮮有文獻報道成功案例。日本的課題組研究了以單晶并四苯[3]或并五苯[4-5]薄膜為襯底，生長C60的機理。他們利用真空蒸鍍設(shè)備，通過改變襯底溫度生長C60，然而獲得的第二層薄膜并非單晶。其他課題組嘗試研究有機pn結(jié)的特性，但是同樣無法在有機單晶襯底上成功生長第二層單晶。在這種情況下，胡文平、Briseno及共同作者使用十六氟酞菁銅(F16CuPc，n型材料)和酞菁銅(CuPc，p型材料)，利用氣相外延生長的方法獲得了有機單晶pn結(jié)納米帶。[6]他們將預(yù)先生長的酞菁銅單晶納米帶作為外延生長的模板，誘導(dǎo)十六氟酞菁銅形成一維的單晶異質(zhì)結(jié)，并研究了基于該單晶異質(zhì)結(jié)的有機太陽能電池的性能。盡管這一工作完成了生長有機單晶異質(zhì)結(jié)的挑戰(zhàn)，卻無法系統(tǒng)性地進行更深入的研究。因此，必須發(fā)展一套生長單晶pn、異質(zhì)結(jié)和多層結(jié)構(gòu)的新方法。參考文獻[1]J.Takeya,M.Yamagishi,Y.Tominari,R.Hirahara,Y.Nakazawa,T.Nishikawa,T.Kawase,T.Shimoda,S.Ogawa,Appl.Phys.Lett.90,102120(2007).[2]V.C.Sundar,J.Zaumseil,V.Podzorov,E.Menard,R.L.Willett,T.Someya,M.E.Gershenson,J.A.Rogers,Science303,1644(2004).[3]C.ReeseandZ.Bao,Adv.Mater.19,4535(2007).[4]H.Najafov,B.Lee,Q.Zhou,L.C.Feldman,andV.Podzorov,NatureMater.9,938(2010).[5]C.Fan,A.P.Zoombelt,H.Jiang,W.Fu,J.Wu,W.Yuan,Y.Wang,H.Li,H.Chen,andZ.Bao,Adv.Mater.2013,25,5762–5766.[6]H.Li,C.Fan,W.Fu,H.L.Xin,andH.Chen,Angew.Chem.54,956–960(2015).[7]Y.Zhang,H.Dong,Q.Tang,W.Chen,S.Ferdous,S.C.B.Mannsfeld,W.Hu,A.L.Briseno,J.Am.Chem.Soc.132,11580-11584(2010).
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題包括：提供一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中多層有機單晶結(jié)構(gòu)形成困難的問題。本專利技術(shù)解決上述問題的技術(shù)方案為：提供一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，包括放置于惰性氣體氣氛保護下的氣相生長單元，所述氣相生長單元包括進氣封頭以及與所述進氣封頭可拆卸連接的氣流套管，所述氣流套管內(nèi)設(shè)置源材料升華區(qū)和生長區(qū)。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述進氣封頭與所述氣流套管連接的區(qū)域為源材料引入?yún)^(qū)，打開所述進氣封頭與所述氣流套管之間的連接以更換材料。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述氣流套管與所述進氣封頭的連接處設(shè)置的第一O型圈，所述第一O型圈的附近安裝第一水冷系統(tǒng)。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述氣相生長單元還包括出氣封頭，所述氣流套管遠離所述進氣封頭的一端與所述出氣封頭連接。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述氣流套管與所述出氣封頭可拆卸連接，所述氣流套管與所述出氣封頭的連接處設(shè)置的第二O型圈，所述第二O型圈的附近安裝第二水冷系統(tǒng)。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述源材料升華區(qū)和所述生長區(qū)間隔設(shè)置，間隔距離大于5mm，分別使用獨立的電阻加熱板控制溫度。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述源材料升華區(qū)和所述生長區(qū)可沿軌道滑動，并固定于特定位點。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，還包括從上部覆蓋所述源材料升華區(qū)和所述生長區(qū)的引流件，所述引流件的頂部略傾斜，使其開口大，出口小，內(nèi)部氣流直接吹向襯底。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述引流件的底部延伸出覆蓋板，所述覆蓋板設(shè)置在所述源材料升華區(qū)和所述生長區(qū)的間隔至少一部分空隙中。在本專利技術(shù)提供的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置中，所述進氣封頭上設(shè)置第一載氣引入管和第二載氣引入管，所述第一載氣引入管的氣流方向與所述氣流套管的徑向延伸方向平行，所述第二載氣引入管的氣流方向與所述氣流套管的徑向延伸方向垂直。實施本專利技術(shù)，具有如下有益效果：該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，氣相生長單元與空氣隔絕，打開氣相生長單元更換材料時，材料與單晶均無需與空氣接觸。各溫度控制區(qū)域均使用獨立的電阻加熱板控制溫度，因此面內(nèi)無溫度分布，并且可保證溫度的快速、精確調(diào)控。由于源材料的蒸氣直接吹向襯底，相比傳統(tǒng)的物理氣相傳輸設(shè)備，該設(shè)備的源材料損失更少。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實施例對本專利技術(shù)作進一步說明，附圖中：圖1為傳統(tǒng)物理氣相傳輸設(shè)備的示意圖；圖2為本專利技術(shù)多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置氣相生長單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專利技術(shù)多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置引流件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為紅熒烯單晶的飽和(不飽和)曲線；圖6為使用本專利技術(shù)多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置生長的紅熒烯單晶；(a)源材料升華溫度300℃，生長區(qū)溫度200℃本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，其特征在于，包括放置于惰性氣體氣氛保護下的氣相生長單元，所述氣相生長單元包括進氣封頭以及與所述進氣封頭可拆卸連接的氣流套管，所述氣流套管內(nèi)設(shè)置源材料升華區(qū)和生長區(qū)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，其特征在于，包括放置于惰性氣體氣氛保護下的氣相生長單元，所述氣相生長單元包括進氣封頭以及與所述進氣封頭可拆卸連接的氣流套管，所述氣流套管內(nèi)設(shè)置源材料升華區(qū)和生長區(qū)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，其特征在于，所述進氣封頭與所述氣流套管連接的區(qū)域為源材料引入?yún)^(qū)，打開所述進氣封頭與所述氣流套管之間的連接以更換材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，其特征在于，所述氣流套管與所述進氣封頭的連接處設(shè)置的第一O型圈，所述第一O型圈的附近安裝第一水冷系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，其特征在于，所述氣相生長單元還包括出氣封頭，所述氣流套管遠離所述進氣封頭的一端與所述出氣封頭連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層有機單晶結(jié)構(gòu)的生長裝置，其特征在于，所述氣流套管與所述出氣封頭可拆卸連接，所述氣流套管與所述出氣封頭的連接處設(shè)置的第二O型圈，所述第二O型圈的附近安裝第二水冷系統(tǒng)。...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：后藤修，陳默，曾興為，魏瀟赟，孟鴻，
申請(專利權(quán))人：北京大學(xué)深圳研究生院，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東,44