一种利用强磁场手段制备聚合物-碳纳米复合材料取向薄膜的方法与流程

本发明属于聚合物薄膜领域，具体涉及一种利用强磁场手段制备聚合物-碳纳米复合材料取向薄膜的方法。

背景技术：

π共轭聚合物在有机场效应晶体管、有机发光二极管和有机太阳能电池中有着广泛的应用。基于π共轭分子和聚合物半导体材料的有机场效应晶体管(organicfield-effecttransistor,ofet)，由于其具有低成本、大面积制备和良好的柔性等优点，因此在电子信息领域显示出巨大的应用潜力，引起了广泛的研究兴趣。有机场效应晶体管在集成电路、可穿戴设备、化学传感器和有机发光等方面有着广泛的应用，然而大部分有机半导体因为其较低的性能，导致其不能广泛的使用。

石墨烯是一种sp²杂化方式连接成的单层二维纳米材料，其具有优异的性能，例如：高电导、高比表面积、高热稳定性等，因此其有可能提高π共轭聚合物的性能。

目前，石墨烯和π共轭聚合物的复合体系很多都是通过石墨烯片和聚合物溶液形成混合物，石墨烯片在复合体系中起到一个电导桥的作用，目前可以通过偏心旋涂，涂布印刷等方式来调节聚合物薄膜的取向，从而实现更好的取向；但是偏心旋涂，涂布印刷等方式都是直接接触薄膜，有时候会污染膜表面，不能保证每次工艺都是一致，普适性不够，且制备的薄膜厚度不能得到有效的控制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用强磁场手段制备聚合物-碳纳米复合材料取向薄膜的方法，通过磁场调控实现无接触的调控，重复性好，且没有外部杂质的干扰。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用强磁场手段制备聚合物-碳纳米复合材料取向薄膜的方法，包括如下步骤：

(1)将石墨粉分散在二氯苯中，经过超声处理、离心分离得到石墨烯分散液；将π共轭聚合物分散在二氯苯中得到π共轭聚合物分散液；将石墨烯分散液和π共轭聚合物分散液混合后，在超声条件下分散均匀得到混合物料；

(2)将混合物料旋涂在硅片上得到湿膜，将涂覆有湿膜的硅片放置到磁场中，使湿膜所在的平面与磁场的方向平行；

(3)步骤(2)处理得到的湿膜进行退火处理后，得到聚合物-碳纳米复合材料取向薄膜。

作为优选的技术方案，所述π共轭聚合物为n2200、pdpp2t-tt中的一种；n2200和pdpp2t-tt的化学结构式分别如下式所示：

作为优选的技术方案，步骤(2)中，将涂覆有湿膜的硅片放置到含有挥发性溶剂的密闭容器内，且湿膜与挥发性溶剂不直接接触；然后将密闭容器放到磁场中，使湿膜所在的平面与磁场的方向平行。密闭容器包括壳体以及用于盖合壳体的密封盖，壳体的底部放置有托架，托架的顶面开设有用于放置硅片的定位槽。进一步优选的，所述托架的材质为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯具有良好的化学惰性，其与挥发性溶剂二氯苯不发生化学反应，不会对湿膜所在的环境带来不利影响。托架的的另一个作用是确保湿膜与挥发性溶剂不直接接触。作为优选的，所述挥发性溶剂为二氯苯。由于密闭容器内含有挥发性溶剂，其能够为湿膜提供一个湿润的环境，从而保证湿膜始终处于湿润状态，确保湿膜能够受到磁场作用。

本发明的有益效果如下：

本发明将湿膜放置在强磁场中时，保证湿膜所在的平面与磁场的方向平行，从而在磁场的作用下，制备得到聚合物-碳纳米复合材料取向薄膜。通过溶剂退火形式，能保持薄膜表面的均一性，也能很好的控制薄膜厚度。通过掺杂碳纳米材料石墨烯，使薄膜在平行磁场方向的迁移率显著提高，且平行磁场方向的迁移率远远大于垂直磁场方向的迁移率。本发明通过磁场调控实现无接触的调控，重复性好，且没有外部杂质的干扰。磁场提供了一种直接且非接触的方法来制造大面积取向有机薄膜，通过磁场调控制备的取向薄膜有更好的导电性，优异的电和热传输性能，同时具有各向异性，未来能应用于新奇光电特性材料。

附图说明

图1为密闭容器的结构示意图；

附图标记：1-壳体，2-密封盖，3-托架，4-定位槽，5-涂覆有湿膜的硅片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下列实施例中所用的密闭容器的结构如图1所示：密闭容器包括壳体1以及用于盖合壳体1的密封盖2，壳体1的底部放置有托架3，托架3的顶面开设有用于放置硅片的定位槽4。通过定位槽4将涂覆有湿膜的硅片5放置在托架3上，从而确保湿膜与挥发性溶剂不直接接触。需要说明的是密闭容器的作用是为湿膜提供一个湿润的环境，从而保证湿膜始终处于湿润状态，确保湿膜能够受到磁场作用。下列实施例中所用挥发性溶剂为二氯苯。

实施例1

(1)将石墨粉加入到二氯苯中得到浓度为10mg/ml的分散液，放置在300w条件下超声3小时后，5000rpm离心30分钟，继续在8000rpm离心15分钟，取上清液即为石墨烯分散液；将n2200加入到二氯苯中，得到浓度为10mg/ml的π共轭聚合物分散液；将石墨烯分散液与π共轭聚合物分散液按体积比1:1混合后，在低功率50w进行超声3h，得到混合物料；

(2)将混合物料在1000rpm，旋涂40s旋涂在硅片上得到湿膜，立刻将涂覆有湿膜的硅片垂直放置在密闭容器的定位槽内，然后将密闭容器放到磁场强度为9t的磁场中处理6h，并使磁场方向平行于湿膜所在的平面；

(3)步骤(2)处理得到的湿膜进行退火100℃处理20min，然后加热至140℃处理10min，最后每20min降低20℃，得到取向聚合物薄膜记为n2200/graphene薄膜。

对比例1：

步骤(1)中仅以n2200为原料，以纯n2200分散液为旋涂液进行后续步骤，其他方法与实施例1相同,最终得到的产品记为纯n2200薄膜。

对比例2：

步骤(1)中仅以n2200为原料，以纯n2200分散液为旋涂液进行后续步骤；步骤(2)中不经过磁场处理，其他方法与实施例1相同,最终得到的产品记为旋涂n2200薄膜。

通过keithley2612系统进行测试，测试方法可以参考董京等人发表的论文《柔性有机场效应晶体管研究进展》(物理学报，2013,62(4)：047301-14)，上述实施例和对比例制备得到的产品的测试结果如下：

实施例1在磁场环境中制备得到的掺杂石墨烯的n2200/graphene薄膜：平行磁场方向的迁移率为0.145cm²/vs，垂直方向的迁移率为0.001784²/vs(平行磁场方向迁移率/垂直磁场方向迁移率＝81)；

对比例1在磁场环境中制备得到的纯n2200薄膜：平行磁场方向的迁移率为0.08cm²/vs，垂直磁场方向的迁移率为0.02m²/vs(平行磁场方向迁移率/垂直磁场方向迁移率＝4)；

对比例2没有经过磁场作用，只是旋涂制备得到的旋涂n2200薄膜：迁移率为0.03cm²/vs。

从上述数据可看出，相比于传统制备的薄膜，本发明通过磁场作用且掺杂石墨烯制备得到的取向聚合物薄膜在平行磁场方向的迁移率显著提高，且平行磁场方向的迁移率远远大于垂直磁场方向的迁移率。