有機(jī)分子提純?cè)O(shè)備的研發(fā)改造與性能測(cè)試

申學(xué)禮+李速華+遲力峰

【摘 要】有機(jī)半導(dǎo)體電子器件的性能往往會(huì)受到多種因素的影響，其中源材料的純度對(duì)器件性能有著決定性的影響。因此，為了制備性能優(yōu)越的有機(jī)半導(dǎo)體電子器件，首先必須要得到高純度的源材料分子。目前而言，對(duì)有機(jī)分子進(jìn)行提純的常用方法有：溫度梯度升華法[1]、區(qū)域熔融法[2]、重結(jié)晶法[3]等。但這些方法都要求源材料的質(zhì)量較多，而且往往需要二次提純或多次提純，整個(gè)提純過(guò)程即耗時(shí)、又耗材?；谝陨先秉c(diǎn)，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的提純?cè)O(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化、改造，最終自主研發(fā)出一種性能優(yōu)越的倒置提純儀。經(jīng)過(guò)我們的測(cè)試：該提純儀不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)源材料的微量提純（質(zhì)量小于1g），而且可以對(duì)市場(chǎng)上在售的高純度有機(jī)分子（純度前為98%），進(jìn)行更高純度的提純，達(dá)到幾乎100%純度的提純效果。

【關(guān)鍵詞】有機(jī)分子；微量提純；設(shè)備改造；倒置提純儀

中圖分類(lèi)號(hào)： O621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）32-0064-002

【Abstract】The performance of the organic semiconductor electric device may be affected by many factors， and the most important one is the purity of raw materials. In order to preparation superior performance organic semiconductor electronic devices， we must to get firstly high purity of raw material. So far， the commonly methods to purification of organic molecules are temperature gradient sublimation method， zone melting method， recrystallization method， etc. But these methods require the quality of the saw material is more， and often require secondary refining and purification for many times， which makes the whole purification process time-consuming and materials-consuming. Based on the above shortcomings， we optimized the existing purification equipments， and product a new type inverted purification equipment. After our test， the instrument can not only realize the little purification of organic molecules， but also can get a high purity （almost 100%） for the marker organic molecules （98% purity）.

【Key words】Organic molecules；Little purification；Equipment modification；Inverted Purification equipment

0 前言

近幾來(lái)，有機(jī)半導(dǎo)體電子器件的發(fā)展受到了越來(lái)越多人的關(guān)注。影響有機(jī)半導(dǎo)體電子器件性能的因素有很多種，其中有機(jī)分子源材料的純度至關(guān)重要，這是因?yàn)橛袡C(jī)分子的純度決定了電子和空穴的傳輸性能，從而決定了器件的工作特性和穩(wěn)定性[4]。此外，雜質(zhì)的存在還會(huì)影響器件的壽命，因此為了得到高性能的有機(jī)半導(dǎo)體電子器件，第一步就是得到高純度的有機(jī)分子。

目前而言，現(xiàn)有的提純?cè)O(shè)備中，用到最多的提純方法是溫度梯度升華法：將待提純的有機(jī)分子放到玻璃管中，通過(guò)對(duì)玻璃管設(shè)置不同溫區(qū)的溫度，從而使玻璃管上形成一定的溫度梯度。升華后的有機(jī)分子和雜質(zhì)會(huì)沉積在玻璃管中不同的溫區(qū)位置，從而達(dá)到提純的目的。然而，這種方法很難在一次提純后就得到高純度的有機(jī)分子，要經(jīng)過(guò)二次提純和多次提純[5]、這樣會(huì)使整個(gè)提純過(guò)程變得耗時(shí)、耗材，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微量有機(jī)分子的提純。

本文以現(xiàn)有提純?cè)O(shè)備的不足為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)自主設(shè)計(jì)、改造，研發(fā)出一種具有優(yōu)越性能的倒置提純儀。

1 倒置提純儀

圖1（a）所示為我們自主研發(fā)的倒置提純儀的結(jié)構(gòu)示意圖：從上往下依次是，1、真空腔 2、樣品放置平臺(tái) 3、擋板 4、提純收集平臺(tái) 5、收集平臺(tái)加熱模塊 6、真空提供裝置（機(jī)械泵、分子泵）。圖1（b）所示為我們自主研發(fā)的倒置提純儀的實(shí)物外觀圖。

首先，整個(gè)提純過(guò)程是處于高真空環(huán)境中，這樣可以避免大氣的干擾，防止某些有機(jī)分子在溫度較高時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。樣品會(huì)放置在特制的坩堝中，該特制坩堝可以滿(mǎn)足樣品升華時(shí)向下噴出的需求。擋板的設(shè)置可以用來(lái)阻擋一些升華溫度較低的雜質(zhì)分子沉積在樣品收集臺(tái)上，起到初步提純的作用。此外，樣品收集平臺(tái)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了加熱裝置，溫度可調(diào)范圍為0-500℃。當(dāng)知道樣品的升華溫度時(shí)，我們可以將此溫度設(shè)定在樣品升華溫度以下，使得升華溫度在樣品升華溫度之下的雜質(zhì)分子難以在樣品收集臺(tái)上沉積，從而被真空提供裝置抽到腔體以外，最終徹底與樣品分子隔離，達(dá)到了高效提純的作用。

2 性能測(cè)試與討論

為了檢驗(yàn)倒置提純儀的提純性能，我們?cè)O(shè)置了一組實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法endprint

我們從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)了高純度的有機(jī)分子（二苯乙烯二羧酸，純度為98%）作為提純?cè)床牧希浞肿邮綖镃16H12O4，其結(jié)構(gòu)式如圖2所示。樣品收集板為硅片。

首先，我們將源材料分子放在特制的坩堝中，再將坩堝放到蒸發(fā)源中，整個(gè)蒸發(fā)源將以倒置的狀態(tài)固定在真空腔上，然后將切好的硅片放在樣品收集臺(tái)上，并用擋板擋住硅片。

其次是抽真空環(huán)節(jié)：依次打開(kāi)機(jī)械泵、分子泵，當(dāng)分子泵工作1h時(shí)，腔體真空度達(dá)到10-5Pa以?xún)?nèi)。

然后是確定有機(jī)分子的升華溫度：從室溫開(kāi)始對(duì)樣品進(jìn)行梯度加熱（間隔溫度為10℃），此過(guò)程中要注意觀察擋板上的沉積情況（通過(guò)膜厚儀測(cè)量）。當(dāng)溫度加熱到90℃時(shí)，我們觀察到擋板上有少量分子沉積，保持溫度不變繼續(xù)加熱，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)擋板上的沉積量增加（膜厚儀測(cè)量數(shù)值不變），則說(shuō)明此時(shí)沉積的為雜質(zhì)分子。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到180℃時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)擋板上有大量分子開(kāi)始沉積，且隨著時(shí)間的推移，沉積量越來(lái)越多，說(shuō)明此時(shí)沉積的是樣品分子。

最后進(jìn)入樣品收集階段：將樣品收集臺(tái)的溫度設(shè)定為170℃，樣品加熱溫度繼續(xù)保持180℃不變，這樣做是為了防止殘余在腔體內(nèi)的雜質(zhì)分子沉積在樣品收集臺(tái)上，可以將其徹底清除。此時(shí)打開(kāi)擋板，開(kāi)始對(duì)樣品進(jìn)行沉積收集，收集時(shí)間1h。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們將提純前的樣品與提純后的樣品分別進(jìn)行了紫外可見(jiàn)吸收光譜的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

2.3 討論

從圖三（a）我們可以得出，提純前的樣品有三個(gè)吸收峰，波長(zhǎng)分別為326nm、335nm、344nm。經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)，我們得知：純凈樣品的吸收峰波長(zhǎng)只有326nm和342nm。說(shuō)明，波長(zhǎng)為335nm的吸收峰為雜質(zhì)吸收峰。

從圖三（b）我們可以得出，提純后的樣品只剩下兩個(gè)吸收峰，波長(zhǎng)分別為326nm和344nm，雜質(zhì)的吸收峰（波長(zhǎng)335nm）幾乎完全消失。這說(shuō)明高純度的有機(jī)分子二苯乙烯二羧酸（純度為98%），在經(jīng)過(guò)我們自主研發(fā)的提純?cè)O(shè)備提純之后，純度幾乎達(dá)到了100%。

3 總結(jié)

目前而言，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)現(xiàn)有提純?cè)O(shè)備的提純方法都存在缺點(diǎn)，基于以上事實(shí)，我們自主設(shè)計(jì)、研發(fā)了一種新型的倒置提純?cè)O(shè)備。并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試：對(duì)市場(chǎng)上在售的高純度有機(jī)分子二苯乙烯二羧酸（純度為98.0%）進(jìn)行了提純實(shí)驗(yàn)，并對(duì)提純前、提純后的樣品做了紫外可見(jiàn)吸收光譜對(duì)比分析測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雜質(zhì)吸收峰幾乎完全消失。說(shuō)明我們自主研發(fā)的提純?cè)O(shè)備，可以達(dá)到幾乎100%的提純效果。我們的研究成果，將對(duì)有機(jī)分子提純?cè)O(shè)備的發(fā)展提供重要的參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Vincett PS.Phosphorescence and Fluorescence of Phthalocyanines[J].Journal of Chemical Physics，1971，55：4131.

[2]Pfann WG.Principles of zone-melting[J].Transactions AIME，1952，194：747.

[3]Hebbar HU.Sumana B.Use of reverse micellar systems for the extraction and purification of bromelain from pineapple wastes[J].Bioresource Technology，2008，99：4896.

[4]Dai L，Cai L.Sublimation method for the purification of organic small molecules[J].Archives of Physical Medicine & Rehabilitation，2015，345：317.

[5]Donald M.Vacuum Evaporation and Vacuum Deposition[J].Elsevier，2010，3：195.endprint