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无机和有机半导体纳米材料经常展示出独特的光、电和磁学性质,而这些性质强烈的依赖于纳米颗粒的尺寸和形貌。因此,利用有机半导体分子为模板,控制合成所需无机材料的形貌、尺寸和晶体学取向,制备无机有机混杂纳米材料,研究有机与无机组分间的相互作用对混杂体系的光电性质的影响,已经吸引了不同领域科学家的广泛关注。本论文主要包括以下三个方面内容: 1.以两亲性苝四羧酸二酰亚胺(PDI)作模板,控制制备规则有序的CdS纳米颗粒以及CdS-PDI混杂体系的结构、电子转移和半导体性质 首次利用结构新颖的两种N,N位均为亲水性的开链冠醚取代及一侧为亲水性的开链冠醚一侧为疏水脂肪链取代的两种苝二酰亚胺化合物(PDI-1和PDI-2)作为有机功能模板材料制备了第一例不同形貌(玫瑰苝状和苝瓣状)、尺寸可控(玫瑰苝状:40,60,80 nm;苝瓣状:20,30 nm)的硫化镉纳米粒子。并用各种现代手段包括扫描电子显微镜(SEM),高分辨电子显微镜(HRTEM)技术,紫外-可见吸收光谱(UV-vis),荧光发射光谱(FL)和X射线衍射光谱(XRD)等对其结构、形貌及半导体性质进行了全面细致的表征测试。结果发现:两种CdS纳米颗粒均为六方相结构,且分别在PDI-1和PDI-2模板上沿着(111)和(002)晶面优势生长。这与两种PDI模板分子的构型从分子的长轴垂直于亚相表面改变为平行于亚相表面有关。同时发现混杂体系中PDI组分的荧光相对于纯膜发生淬灭、荧光寿命变短,证实了混杂体系中存在由PDI分子到无机组分的电子转移现象。CdS-PDI混杂体系的电导率相对于纯PDI有极大的提高,且随颗粒的粒径的增大而增大。这是因为CdS-PDI混杂膜的致密堆积构型和较大的表面积在分子内部形成了穿插网络,从而消除了电荷传输瓶颈。表明混杂材料中两组分的半导体性质有彼此协同的增效作用。 2.有序性ZnS/两亲性苝四羧酸二酰亚胺纳米混杂体系的自组装、电子转移和薄膜场效应晶体管性质 首次利用结构新颖的两种含有不同数量羟基取代基的苝二酰亚胺化合物(PDI-OH和PDI-2OH),以其作为有机功能模板材料制备了形貌相近、尺寸可控(均为15nm的纳米颗粒)的硫化锌纳米粒子,并用各种现代手段(扫描电子显微镜(SEM),高分辨电子显微镜(HRTEM)技术,紫外-可见吸收光谱(UV-vis),荧光发射光谱(FL)和X射线衍射光谱(XRD))对其结构、形貌及半导体性质进行了全面细致的表征测试。结果发现:ZnS/PDI-OH混杂材料中制备的硫化锌为立方相结构,优势生长方向为(111)晶面方向;ZnS/PDI-2OH混杂材料中制备的硫化锌为六方相结构,优势生长方向为(002)晶面方向。这是由于两种不同模板分子PDI-OH和PDI-2OH在亚相表面聚集结构差异所致。特别地,我们发现混杂体系中PDI组分的荧光强度淬灭、荧光寿命变短,证实了混杂体系中存在由PDI分子到无机组分的电子转移现象。此外通过对ZnS/PDI混杂体系的晶体场效应测试发现:ZnS/PDI混杂材料中首先表现为n-型薄膜场效应晶体管(TFT)性质,其电子迁移率为0.018和0.023 cm2 V-1 s-1。在空气中放置30天后,器件显示出p-型TFT性质,其空穴迁移率均为0.010 cm2 V-1 s-1;用紫外光照射后混杂体系又重新表现为n-型TFT特性,电子迁移率明显增加,分别为0.13和0.081 cm2 V-1s-1,其为室温溶液处理法制备的ZnS基有机-无机混杂材料最高的电子迁移率之一。我们进一步用异质结结构能带弯曲理论及氧气吸附/脱附过程机制对该混杂体系TFT性质转化机制进行了探究。 3.一种制备具有优异半导体性质的两亲性苝四羧酸二酰亚胺/ZnS纳米混合物的简易方法 一种两亲性苝四羧酸二酰亚胺衍生物(N-正己烷-N-(1-苯基-4-氨基乙醇)-1,7-二(4-叔丁基苯酚)苝-3,4∶9,10-四羧酸二酰亚胺,PDI-OH)的自组装膜已经被用作有机模板制备了单分散的PDI-OH/ZnS纳米混合物颗粒。利用紫外-可见(UV-vis)吸收光谱、X射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电流-电压(I-V)测试对PDI-OH纯膜和PDI-OH/ZnS混杂膜进行了全面的表征测试。实验结果显示:混杂膜中由于引入了ZnS纳米晶体,致使混杂膜中PDI组分相对于PDI纯膜的结晶度和有序程度都有较大改善。I-V测试中,混杂膜的电导率(6.6×10-5 S·cm-1)比纯膜的电导率(3.6×10-7 S·cm-1)高两个数量级。本实验结果提供了一种通过引入无机材料来改善有机材料半导体性质的高效方法。