一種利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法及應用與流程
2023-08-12 20:51:36
本發明涉及光電材料及器件製備領域，特別是涉及一種光電材料陣列化的製備方法及應用。
背景技術：
光電材料是指用於製造各種主、被動光電傳感器光信息處理和存儲裝置及光通信等光電設備的材料。而其中，將陣列化的微納結構光電材料在電子學、光子學、光電子學、基於生物晶片的檢測、生物傳感器陣列等領域都具有巨大的應用價值。然而，實現高密度、規模化的微納結構是一件極具挑戰性的工作。目前，關於微納結構材料的製備已有大量報導，但微納材料雜亂無序的分布狀態導致其應用受限。此外，微納米器件的構築需要對微納米材料進行有序組裝使其具有陣列結構，並實現對其性能的設計調控，這也是微納超微器件的設計基礎。光電材料陣列化處理，能有效的提髙器件性能，集成水平等。比如，不同性質的光電材料陣列化對氣體分子有特異性響應，根據這一原理，利用有機光電材料陣列來製備氣體傳感器，具有巨大的應用價值。
傳統的光電材料陣列化的方法有很多，比如光刻、模板、壓印法等，但是這些方法都具有各自的局限性。光刻法採用的電子束或紫外光會對材料產生一定的破壞。模板法是指利用預製的具有垂直納米孔洞的多孔材料為模板，將金屬前驅物注入模板，再將模板除去，模板在整個合成過程中作為犧牲模板使用，對目標產物除形貌控制外無其他貢獻，因此在一定程度上造成材料的浪費。
技術實現要素：
本發明的一個目的在於提供一種利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，本發明可通過調節模板的尺寸和形狀來改變陣列化的圖案，模板可重複利用，工藝簡單，可適用性強，具有產業化應用前景。
為達到上述目的，本發明採用下述技術方案：
一種利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備；
(2)模板的製備；
(3)光電材料陣列的製備。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下具體製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備：將光電材料溶於溶劑中，加熱攪拌至完全溶解；
(2)模板的製備：在模板底面上製備陣列化凹槽；
(3)光電材料陣列的製備：取步驟(1)製備的光電材料溶液置於光滑的基底上，蓋上步驟(2)製備的模板，恆溫乾燥，最後揭去模板，即得到在基底上形成陣列化的光電材料。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，步驟(1)中所述的溶劑為水、DMF、DMSO、二氯甲烷、四氫呋喃和丁內酯中的一種或多種的混合溶劑。所述溶液的選擇應不腐蝕模板或基底材料；優選溶劑為DMF。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，步驟(2)和步驟(3)中所述的模板和基底的材料為剛性材料或柔性材料。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，所述剛性材料為玻璃、矽、鋁、銅中的任意一種；所述柔性材料為PDMS、PMMA、PI、PET、PEN、PC、PCO、PES和PAR中的任意一種。所述基底材料為剛性材料時，優選玻璃或矽；所述基底材料為柔性材料時，優選PET。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，所述的模板材料為剛性材料時，基底採用柔性材料；所述的模板材料為柔性材料時，基底採用剛性材料或柔性材料。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，所述模板為剛性材料時，優選材料為矽；所述模板為柔性材料時，優選材料為PDMS，並且在製備柔性材料模板時，先用光刻法在硬質基底表面加工凸出的陣列，然後塗覆PDMS預聚物，固化後得到PDMS柔性材料陣列化凹槽模板。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，所述溶劑優選DMF，所述模板材料優選PDMS，所述基底材料優選玻璃或矽。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，所述的模板材料為剛性材料時，採用電子束光刻法、光學光刻法、軟光刻法、掩膜法或掃描探針顯微鏡光刻法在模板底面製備陣列化凹槽。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，所述的光電材料陣列可以通過改變模板底面上陣列化凹槽的尺寸來調控。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的應用，應用於製備半導體器件。
上述利用溶液限域生長製備光電材料陣列的應用，所述半導體器件為場效應電晶體、半導體雷射器、光發射二極體和光伏器件中的一種。
本發明的有益效果如下：
1.本發明利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，光電材料從溶液中成核、生長，避免了光刻技術對材料產生的破壞，因此可以有效地保護材料的功能性。反應過程溫和，適用於大部分可溶性光電材料；
2.本發明利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，利用光電材料自身的晶體習性，晶體從限定區域的溶液中成核、生長，可以製備形貌非常規整的光電材料陣列；
3.本發明利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，採用從下往上的生長方法，靈活多變，易於製備各種光電子器件。
附圖說明
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。
圖1是本發明實施例一利用溶液限域生長法製備光電材料方型陣列的流程圖；
圖2是本發明實施例一以CsPbCl2Br光電材料製備形貌規整，大小均一,具有單晶結構的方型陣列(a、螢光顯微鏡圖片；b、AFM圖片；c、選區電子衍射圖片)；
圖3是本發明實施例二利用溶液限域生長法製備光電材料圓型陣列的流程圖；
圖4是本發明實施例二以CH3NH3PbI3光電材料製備圓型陣列的螢光顯微鏡圖片；
圖5是本發明實施例三利用溶液限域生長法製備光電材料線型陣列的流程圖；
圖6是本發明實施例三以CH3NH3PbBr3.光電材料製備長度均一，取向一致的線型陣列的螢光顯微鏡圖片；
圖7為本發明實施例三以CH3NH3PbBr3光電材料製備方型陣列的光學表徵圖(a.CH3NH3PbBr3陣列受激發射螢光顯微圖；b.CH3NH3PbBr3陣列受激發射的閾值分布圖；c.CH3NH3PbBr3陣列受激發射光譜圖)。
圖8是本發明實施例四以CH3NH3PbCl1.5Br1.5光電材料製備大小不同的方型陣列的螢光顯微鏡圖片(a、b、c分別對應使用三種模板製備的光電材料陣列)。
圖9為本發明實施例五以CsPbCl3光電材料製備方型陣列的光學表徵圖(a.CsPbCl3陣列受激發射螢光顯微圖；b.CsPbCl3陣列受激發射的閾值分布圖；c.CsPbCl3陣列受激發射光譜圖)。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。
實施例1
利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下具體製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備：將光電材料CsPbCl2Br溶於DMF中，配置成CsPbCl2Br濃度為0.02g/mL的溶液，加熱攪拌至完全溶解；
(2)模板的製備：製備PDMS軟模板，底面刻有半徑為5μm，高度為5μm的圓柱形凹槽，凹槽間距為10μm；
(3)光電材料陣列的製備：取20μL步驟(1)製備的光電材料溶液，滴在玻璃基底上，蓋上步驟(2)所製備的PDMS軟模板，30℃恆溫乾燥24h，揭去PDMS軟模板，即在基底上形成方型陣列化的CsPbCl2Br光電材料。
AFM和選區電子衍射表明製備的CsPbCl2Br陣列晶體表面光滑平整，邊長為2μm，高度為1.5μm，具有單晶結構。
實施例2
利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下具體製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備：將光電材料CH3NH3PbI3溶於DMF中，配置成CH3NH3PbI3濃度為0.02g/mL的溶液，加熱攪拌至完全溶解；
(2)模板的製備：製備PDMS軟模板，底面刻有半徑為5μm，高度為5μm的圓柱形凹槽，凹槽間距為10μm；
(3)光電材料陣列的製備：取20μL步驟(1)製備的光電材料溶液，滴在玻璃基底上，蓋上步驟(2)所製備的PDMS軟模板，30℃恆溫乾燥24h，揭去PDMS軟模板，即在基底上形成圓型陣列化的CH3NH3PbI3光電材料。
實施例3
利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下具體製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備：將光電材料CH3NH3PbBr3溶於DMF中，配置成CH3NH3PbBr3濃度為0.02g/mL的溶液，加熱攪拌至完全溶解；
(2)模板的製備：製備PDMS軟模板，底面刻有寬為1μm、長為30μm、高度為5μm的線型凹槽，凹槽間距為10μm；
(3)光電材料陣列的製備：取20μL步驟(1)製備的光電材料溶液，滴在玻璃基底上，蓋上步驟(2)所製備的PDMS軟模板，30℃恆溫乾燥24h，揭去PDMS軟模板，即在基底上形成線型陣列化的CH3NH3PbBr3光電材料。
採用400nm,120fs,1000Hz的飛秒雷射激發製備的CH3NH3PbBr3陣列，可得到CH3NH3PbBr3線型陣列雷射。閾值比較均一，在110±20μJ/cm2範圍內，可實現同時雷射發光。發射波長在537-547nm，具有很好的單色性。
實施例4
利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下具體製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備：將光電材料CH3NH3PbCl1.5Br1.5溶於DMF中，配置成CH3NH3PbCl1.5Br1.5濃度為0.02g/mL的溶液，加熱攪拌至完全溶解；
(2)模板的製備：製備三種不同的PDMS軟模板，模板a：底面刻有半徑為2.5μm，高度為5μm的圓柱形凹槽，凹槽間距為10μm；模板b：底面刻有半徑為5μm，高度為5μm的圓柱形凹槽，凹槽間距為10μm；模板c：底面刻有半徑為10μm，高度為5μm的圓柱形凹槽，凹槽間距為10μm；
(3)光電材料陣列的製備：取20μL步驟(1)製備的光電材料溶液，滴在玻璃基底上，分別蓋上步驟(2)所製備三種不同的PDMS軟模板，30℃恆溫乾燥24h，揭去PDMS軟模板，即在基底上形成不同大小的方型陣列化的CH3NH3PbCl1.5Br1.5光電材料(a、b、c分別對應使用三種模板製備的光電材料陣列)。
實施例5
利用溶液限域生長製備光電材料陣列的方法，包括如下具體製備步驟：
(1)光電材料溶液的製備：將光電材料CsPbCl3溶於DMF中，配置成CsPbCl3濃度為0.02g/mL的溶液，加熱攪拌至完全溶解；
(2)模板的製備：製備PDMS軟模板，底面刻有半徑為5μm，高度為5μm的圓柱形凹槽，凹槽間距為10μm；
(3)光電材料陣列的製備：取20μL步驟(1)製備的光電材料溶液，滴在玻璃基底上，蓋上步驟(2)所製備的PDMS軟模板，30℃恆溫乾燥24h，揭去PDMS軟模板，即在基底上形成方型陣列化的CsPbCl3光電材料。
採用400nm,120fs,1000Hz的飛秒雷射激發製備的CsPbCl3陣列，可得到CsPbCl3方型陣列雷射。閾值均一，在8±3μJ/cm2範圍內，可實現同時雷射發光。發射波長在429-429nm，具有很好的單色性。
實施例1-5中，PDMS軟模板的具體製備方法如下：
(1)矽模板的製備：採用光刻法在矽模板上製備凸起的線型陣列或者圓柱陣列；
(2)PDMS軟模板的製備：將PDMS預聚物與固化劑按照質量比10:1混合攪拌均勻，塗覆在矽模板上，70℃固化4h，揭下PDMS後，即得到底部陣列化凹槽的軟模板。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。