一种二维分子晶体-氧化石墨烯异质结及制备方法和应用与流程

一种二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结及制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于有机
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无机异质结材料领域，具体涉及一种二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结的制备方法及其应用。


背景技术：

2.自2004年novoselov等人通过机械剥离技术获得石墨烯以来，二维材料得到了越来越多科研工作者的青睐，这主要是因为这类材料具有较大的比表面积和特殊的二维平面结构，其所带来的二维限域效应在纳米光电子等领域具有无限的应用潜力。相比无机二维材料，二维分子晶体主要由有机分子在二维范围内通过非共价键(如氢键、π
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π相互作用、范德华力)的长程周期性堆积而成，其具有原料广泛、设计性强、能带可调、制备过程简单和优异的机械柔韧性等优势。随着二维分子晶体材料在光电探测器、激光器、发光二极管、太阳能电池等领域的迅速发展，二维分子晶体的异质结构也逐渐成为了光电子领域的新起之秀。由于构成异质结构的两种或多种材料具有不同的带隙、电学特性、掺杂类型、光学吸收及发光、介电常数、功函数等，异质结构能够表现出不同于单一材料的性能，以异质结构为主体的电子或光电子器件的性能也往往比单一材料制备的同类器件更加优越。而制备基于二维分子晶体的异质结的动机之一就是利用与单晶材料中高度有序的分子堆积相关的优异电荷传输和激子扩散特性，这些性能对于高性能有机电子设备至关重要。但是目前制备高质量二维分子晶体基异质结的方法普遍采用化学气相沉积(cvd)、物理气相传输(pvt)等方法，这些方法普遍操作复杂，所需成本较高，严重影响了二维分子晶体异质结在光电器件领域的应用前景。
3.因此，出于二维分子晶体异质结的简便制备及器件应用等方面的综合考虑，亟待发展一种简便低成本的制备方法制备高质量二维分子晶体基异质结。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结的制备方法，以解决现有技术难以通过简单的一步法普适性制备有机/无机异质结的问题。
5.为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)选择反应容器，本发明采用称量瓶，加入去离子水溶液，形成基底水溶液。
7.(2)配制氧化石墨烯溶液：将合成的氧化石墨烯溶于甲醇溶液中，充分搅拌，超声，之后将配制好的氧化石墨烯甲醇溶液滴加入基底水溶液表面。
8.(3)将平面共轭型有机小分子完全溶于甲苯中，配制有机小分子的甲苯溶液。
9.(4)将配置好的有机小分子的甲苯溶液滴入步骤(2)中滴加有氧化石墨烯甲醇溶液的水溶液表面。
10.(5)将称量瓶在室温下置于密闭空间，静置，待甲苯溶剂挥发完全，即得到所述的二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结。
11.所述步骤(1)中，称量瓶的尺寸为40～70
×
25～35mm。
12.所述步骤(1)中，去离子水溶液为5～25ml。
13.所述步骤(2)中，氧化石墨烯的甲醇溶液浓度为1～5mg/ml。
14.所述步骤(2)中，氧化石墨烯溶液与去离子水溶液的体积比为2∶250。
15.所述步骤(2)中，氧化石墨烯通过对前期所报道的hummer方法进行改良制得(j.am.chem.soc.1958，80，1339
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1339)。
16.所述步骤(3)中，有机小分子的甲苯溶液的浓度为0.5mg/ml。
17.所述步骤(3)中，平面共轭型小分子材料包括perylene，pyrene，pentacene，anthracene，naphthalene，styrene，c8
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btbt，c6
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dpa中的任意一种。
18.所述步骤(4)中，有机小分子溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为1∶1。
19.根据本发明还提供了一种二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结的调控方法，包括以下方面：对所述步骤(2)中氧化石墨烯的浓度进行调整，或对所述步骤(3)中的有机小分子浓度进行调整，或对所述步骤(5)中的静置时间进行调控，以获得不同面积和厚度的所述二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结薄膜。
20.采用本发明的技术方案制备的二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结可应用在在光电子技术领域。
21.应用本发明的技术方案，提供了一种二维分子晶体/氧化石墨烯薄膜的制备方法，该技术工艺具有以下有益效果：
22.1、本发明采用的界面共组装策略，操作简单，成本低廉。
23.2、本发明通过将有机小分子的溶液滴加在氧化石墨烯溶液表面，可实现氧化石墨烯和小分子基二维分子晶体异质结的大面积制备，材料种类多，适用范围广。
24.3、本发明的二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结中的二维分子晶体边界清晰，表面均匀平整，面积大。
25.4、本发明的二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结具有强烈的制备条件依赖特征，有利于面积和厚度的理性可调。
26.5、本发明的二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结具有吸收光谱范围广，光电转换效率高，展现了此类结构在全谱光探测等各类光电子器件中的应用潜力。
27.综上，本发明提供了一种操作简单高效的二维分子晶体/无机异质结的普适性大面积可控制备方法。通过相应浓度、时间等条件的改变，实现了这种异质结薄膜的调控与优化。此外，基于光电二极管结构验证了该异质结结构优秀的宽谱光探测性能。原材料的广泛性和制备工艺的普适性展现了该发明的在有机光电领域的应用潜力。
附图说明
28.图1为实施例1的二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结的制备方法的示意图；
29.图2为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的偏光显微镜(pom)图；
30.图3为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的扫描电子显微镜(sem)图；
31.图4为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的原子力显微镜(afm)图；
32.图5为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的透射电子显微镜(tem)图；
33.图6为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的器件图；
34.图7为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的光探测性能；
35.图8为实施例1制备的二维分子晶体/氧化石墨烯的光突触性能。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
37.本实施例提供的一种二维分子晶体
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氧化石墨烯异质结的制备方法，如图1所示，通过在气液界面共自组装一步法制备。以平面共轭小分子为有机半导体材料，甲苯为溶剂，再以氧化石墨烯甲醇溶液为另一种材料，制备出了该种异质结。具体步骤为：
38.实施例1：有机/无机异质结共自组装实验
39.首先配制基底水溶液，准备70
×
35mmm的反应称量瓶，加入25ml去离子水溶液，待用。
40.配制浓度为2mg/ml的氧化石墨烯甲醇溶液，使用移液枪将200μl配制好的氧化石墨烯甲醇溶液滴加入基底水溶液表面，待用。
41.配制浓度为0.5mg/ml的苝小分子甲苯溶液，使用移液枪将200μl配制好的苝甲苯溶液滴加入上述基底溶液中，室温密闭静置。
42.待甲苯溶剂完全挥发，将得到的异质结转移到硅衬底上，放在40
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45℃的加热板上进行蒸发，确保水分烘干。
43.本实施例通过共自组装一步法制备的苝的二维分子晶体/氧化石墨烯异质结的偏光显微镜(pom)图如图2所示，扫描电子显微镜(sem)图如图3所示，原子力显微镜(afm)图如图4所示，透射电子显微镜(tem)图如图5所示。
44.本实施例通过共自组装一步法制备的苝的二维分子晶体/氧化石墨烯异质结的器件图如图6所示，对此器件进行光探测测试，如图7所示的不同波长的i
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v曲线，随着光波长的增加，响应电流逐渐减小。如图8所示的光突触测试的i
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t曲线表示在相同的脉冲次数下，不同的光波段都有光响应，并且在可见
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红外区域随着波长增加光响应逐渐减小。证明本实施例制备的苝的二维分子晶体/氧化石墨烯异质结能够作为有机/无机复合材料应用于光电子器件中。
45.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。