有機分子提純設備的研發改造與性能測試

申學禮+李速華+遲力峰

【摘 要】有機半導體電子器件的性能往往會受到多種因素的影響，其中源材料的純度對器件性能有著決定性的影響。因此，為了制備性能優越的有機半導體電子器件，首先必須要得到高純度的源材料分子。目前而言，對有機分子進行提純的常用方法有：溫度梯度升華法[1]、區域熔融法[2]、重結晶法[3]等。但這些方法都要求源材料的質量較多，而且往往需要二次提純或多次提純，整個提純過程即耗時、又耗材。基于以上缺點，我們對實驗室現有的提純設備進行了優化、改造，最終自主研發出一種性能優越的倒置提純儀。經過我們的測試：該提純儀不僅可以實現對源材料的微量提純（質量小于1g），而且可以對市場上在售的高純度有機分子（純度前為98%），進行更高純度的提純，達到幾乎100%純度的提純效果。

【關鍵詞】有機分子；微量提純；設備改造；倒置提純儀

中圖分類號： O621 文獻標識碼： A 文章編號： 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，有機半導體電子器件的發展受到了越來越多人的關注。影響有機半導體電子器件性能的因素有很多種，其中有機分子源材料的純度至關重要，這是因為有機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定性[4]。此外，雜質的存在還會影響器件的壽命，因此為了得到高性能的有機半導體電子器件，第一步就是得到高純度的有機分子。

目前而言，現有的提純設備中，用到最多的提純方法是溫度梯度升華法：將待提純的有機分子放到玻璃管中，通過對玻璃管設置不同溫區的溫度，從而使玻璃管上形成一定的溫度梯度。升華后的有機分子和雜質會沉積在玻璃管中不同的溫區位置，從而達到提純的目的。然而，這種方法很難在一次提純后就得到高純度的有機分子，要經過二次提純和多次提純[5]、這樣會使整個提純過程變得耗時、耗材，更無法實現對微量有機分子的提純。

本文以現有提純設備的不足為出發點，通過自主設計、改造，研發出一種具有優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的倒置提純儀的結構示意圖：從上往下依次是，1、真空腔 2、樣品放置平臺 3、擋板 4、提純收集平臺 5、收集平臺加熱模塊 6、真空提供裝置（機械泵、分子泵）。圖1（b）所示為我們自主研發的倒置提純儀的實物外觀圖。

首先，整個提純過程是處于高真空環境中，這樣可以避免大氣的干擾，防止某些有機分子在溫度較高時發生化學反應。樣品會放置在特制的坩堝中，該特制坩堝可以滿足樣品升華時向下噴出的需求。擋板的設置可以用來阻擋一些升華溫度較低的雜質分子沉積在樣品收集臺上，起到初步提純的作用。此外，樣品收集平臺專門設置了加熱裝置，溫度可調范圍為0-500℃。當知道樣品的升華溫度時，我們可以將此溫度設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分子難以在樣品收集臺上沉積，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，達到了高效提純的作用。

2 性能測試與討論

為了檢驗倒置提純儀的提純性能，我們設置了一組實驗。

2.1 實驗方法endprint

我們從市場上購買了高純度的有機分子（二苯乙烯二羧酸，純度為98%）作為提純源材料，其分子式為C16H12O4，其結構式如圖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，再將坩堝放到蒸發源中，整個蒸發源將以倒置的狀態固定在真空腔上，然后將切好的硅片放在樣品收集臺上，并用擋板擋住硅片。

其次是抽真空環節：依次打開機械泵、分子泵，當分子泵工作1h時，腔體真空度達到10-5Pa以內。

然后是確定有機分子的升華溫度：從室溫開始對樣品進行梯度加熱（間隔溫度為10℃），此過程中要注意觀察擋板上的沉積情況（通過膜厚儀測量）。當溫度加熱到90℃時，我們觀察到擋板上有少量分子沉積，保持溫度不變繼續加熱，并沒有發現擋板上的沉積量增加（膜厚儀測量數值不變），則說明此時沉積的為雜質分子。當溫度繼續升高到180℃時，我們發現擋板上有大量分子開始沉積，且隨著時間的推移，沉積量越來越多，說明此時沉積的是樣品分子。

最后進入樣品收集階段：將樣品收集臺的溫度設定為170℃，樣品加熱溫度繼續保持180℃不變，這樣做是為了防止殘余在腔體內的雜質分子沉積在樣品收集臺上，可以將其徹底清除。此時打開擋板，開始對樣品進行沉積收集，收集時間1h。

2.2 實驗結果

我們將提純前的樣品與提純后的樣品分別進行了紫外可見吸收光譜的測試，測試結果如圖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吸收峰，波長分別為326nm、335nm、344nm。經過查閱文獻，我們得知：純凈樣品的吸收峰波長只有326nm和342nm。說明，波長為335nm的吸收峰為雜質吸收峰。

從圖三（b）我們可以得出，提純后的樣品只剩下兩個吸收峰，波長分別為326nm和344nm，雜質的吸收峰（波長335nm）幾乎完全消失。這說明高純度的有機分子二苯乙烯二羧酸（純度為98%），在經過我們自主研發的提純設備提純之后，純度幾乎達到了100%。

3 總結

目前而言，實驗室驗現有提純設備的提純方法都存在缺點，基于以上事實，我們自主設計、研發了一種新型的倒置提純設備。并對其進行了性能測試：對市場上在售的高純度有機分子二苯乙烯二羧酸（純度為98.0%）進行了提純實驗，并對提純前、提純后的樣品做了紫外可見吸收光譜對比分析測試，實驗結果顯示雜質吸收峰幾乎完全消失。說明我們自主研發的提純設備，可以達到幾乎100%的提純效果。我們的研究成果，將對有機分子提純設備的發展提供重要的參考價值。

【參考文獻】

[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