用于探测和转换红外电磁辐射的方法和光电子元件技术

本发明专利技术涉及一种用于探测红外电磁辐射或将红外电磁辐射转换为电信号的方法，涉及一种光电子元件、尤其是用于(近)红外探测的有机红外探测器，并且涉及该光电子元件的用于探测在780nm至10μm的波长范围内的电磁信号的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于探测和转换红外电磁辐射的方法
本专利技术涉及一种用于探测红外电磁辐射并且将其转换为电信号的方法，还涉及光电子元件，尤其是用于(近)红外探测的有机红外探测器并且涉及光电子元件的用于探测在780nm至10μm的波长范围内的电磁信号的用途。
技术介绍
感光的光电子元件将电磁环境辐射转换为电。元件种类包括太阳能电池和探测器。太阳能电池被优化以便将尽可能多的份额的太阳光转换为电功率。相反地，探测器经常以在外部提供的电压运行(并且相应地是非能量自给自足的)，以便实现探测范围中的更高的外量子效率和更快的反应时间。此外，其探测范围可以位于可见光以外。探测器经常与用于读取和进一步处理由光电子元件生成的电流强度的装置联接。由现有技术公知了用于红外探测器(IR探测器)的各种各样的解决方案，其根据其功能方式分为五个类别。在此，本领域技术人员做出如下区分：1.基于半导体的单线吸收的探测器是公知的，其中，电子从被完全占据的状态(价带能或HOMO能或较低能态)提升至未占据的水平(导带能或LUMO能或较高能级)。此外借助所使用的活性介质可以分为以下四组：a)基于无机物的IR探测器大多基于稀土、例如铟或镓的使用，其中，其制造在技术上要求苛刻并且因此不利地是耗能的和尤其是昂贵的。但基于无机物的IR探测器在机械上是不柔韧的，并且与基于有机物的解决方案相比导致更大体积的或更重的构件(Downs和Vandervelde，Sensors(传感器)2013，13，doi:10.3390/s130405054)。b)在另外的基于无机物的实施方案中使用含铅的盐，例如硫化铅(II)，其然而与1a)中相比具有明显更慢的反应时间，并且基于铅被归类为是特别有毒的(Humphrey，Appl.Opt.(应用光学)19654,665-675)。c)在基于有机物的通过对有机化合物的真空加工而制成的IR探测器中尤其不利的是，这些IR探测器中的仅少量的IR探测器具有在高于1000nm的波长的情况下的吸收(Baeg等人，AdvancedMaterials(高级材料)2013,25(31)，4267-4295)。这基于对用于升华的高的热稳定要求，其与带有低能带隙的有机半导体(即在近红外的波长范围内的吸收)有矛盾。d)基于有机物的IR探测器替选地也可以借助溶剂加工制成，其中，在文献中仅很少地描述了用于对带有1000nm以上的单线吸收的光活性层的成分、例如由锌-卟啉-二聚体和苯基-C61-丁酸甲酯(简称PCBM)构成的组合和4,4’-联吡啶(简称Bipy)添加剂。但不利的是，这些IR探测器的最大的外量子效率在短路条件的情况下限制为13.5％(在1400nm时)。e)在其中尤其是使用碳纳米管或石墨单层的基于碳的IR探测器在短路条件下具有明显更小的为2.3％或2％的最大的外量子效率，并且同时仅允许400nm至1600nm的宽带的吸收，从而光电子元件对于IR辐射不是选择性地敏感的(Gong等人，ACSAppliedMaterials&Interfaces(ACS应用材料&接口)2015,150330161533004，doi:10.1021/acsami.5b01536或Furchi等人，NanoLetters(纳米快报)2012,12(6)，2773-2777)。2.基于直接的生色团间的(interchromophor)电荷转移态的吸收的IR探测器也是公知的，其根据所使用的活性介质划分：a)Bednorz等人(OrganicElectronics:Physics,Materials,Applications(有机电子：物理，材料，应用)2013,14(5)，1344-1350)公开的是，在混合IR探测器中，其利用在有机层(例如苝衍生物)至无机层(例如硅)的过渡部上的直接的生色团间的电荷转移态的吸收。作者指出了在1550nm的波长的情况下明显小于1％的很小的外量子效率(EQE)。此外不利的是，这种IR探测器在机械上是不柔韧的，并其制造需要稀土、例如铟或镓，这明显提高了制造成本。b)从Wu等人的公开文献(Energy&EnvironmentalScience(能量&环境科学)2011,4(9)，3374.doi:10.1039/c1ee01723c)公知了有机半导体与富勒烯之间的直接的生色团间的电荷转移态的吸收，特殊地由混合层聚(3-己基噻吩)(简称P3HT)和苯基-C61-丁酸甲酯(简称PCBM)的混合层导致的吸收。基于非常弱的吸收系数，其125nm的光活性层在带有980nm的波长的电磁照射的情况下仅导致0.05％的EQE。Beenken等人(Phys.Chem.Chem.Phys.(物理化学、化学物理)2013,15,16494.doi:10.1039/c3cp42236d)从对相同的混合层(P3HT:PCBM)的吸收频谱的观察推导出直接的生色团间的电荷转移(分子间的电荷转移跃迁)的很小的振子强度。形成的电荷转移激子假设为是热稳定的，这不意味着或仅意味着借助所观察的电荷转移态导致的最多很小的光电流产生。由US2009/0289247A1公开了更高效的IR探测器，其提出光活性层的厚度大于10μm，以便提升直接的生色团间的电荷转移态的吸收。然而为了有效地运行这种IR探测器需要100V或更大的高运行电压，以便克服光活性层的高的电阻，光活性层的层厚在此是超过太阳能电池中常见的厚度两个或三个数量级。不利地随之出现更大的暗电流和光电流相对于暗电流的小于5的很小的开关比无效的载流子传输也伴随着与光电流对待探测的辐射的随时间的改变的缓慢的反应时间。在专业文献，例如Jailaubekov等人的专业文献(NatureMaterials(自然材料)2013,12,66)中，迄今为止坚持如下理解，即，电荷转移态用作针对光诱导的载流子的捕获器，并且因此不导致光电流。3.Liu等人(NanoLetters(纳米快报)2014,14(7)，3702-3708)描述了通过光吸收的导电性的调制作为用于探测IR辐射的另外的可能性。在此特别不利的是仅5％的导电性的很小的开关比。4.此外，对于本领域技术人员来说公知了基于通过表面等离激元实现吸收的IR探测器。因为这些探测器以基于无机物的吸收材料为基础，所以这种IR探测器具有上面提到的伴随着使用无机材料出现的缺点。此外，能最大探测的波长由肖特基势垒的高度来限制。5.最后也公知了量化的跃迁，例如量子阱结构中的子带间吸收或到量子点的跃迁，它们同样不利地以基于无机物的吸收材料为基础。这些探测器也大多基于稀土、例如铟或镓的使用，其中，它们的制造在技术上要求苛刻并且因此不利地是耗能的和尤其是昂贵的。此外，基于无机物的IR探测器在机械上是不柔韧的，并且与基于有机物的解决方案相比导致更大体积的或更重的构件。也可以用作IR传感器的设备由US2004/0016923A1公知。公开的基质布置可以具有有机多层结构，其位于由两个电极构成的微腔内。作为用于生成光电流的机制提到光诱导的电荷转移。根据IUPACGoldBooks(doi:10.1351/goldbook)的限定，光诱导的电子跃迁是一种作为基于电磁辐射与物质的谐振相互作用形成的电子状态的本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于探测在780nm至10μm的波长范围内的电磁信号的方法，所述方法具有如下步骤：a)提供光电子元件(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f)，所述光电子元件布置在基底(2)上并且i.具有两个彼此间隔开且对置的、构造出光学微腔的反射面，ii.具有布置在所述反射面之间的光活性层(5)，所述光活性层包含至少一个化合物1和化合物2，其中，所述化合物1的HOMO能与所述化合物2的LUMO能之间的能量差位于1.6eV以下，其中，所述反射面之间的光程长度相应于待探测的信号的波长的25％至75％范围，并且其中，待探测的电磁信号的波长范围的能量当量位于‑通过所述化合物1的HOMO能和所述化合物2的LUMO能限定的能量差的范围内，和‑通过所述化合物1的HOMO能和LUMO能限定的能量差的范围内，其中，所述光活性层(5)以在所述光学微腔内处在所述待探测的电磁信号的波长的空间上的强度最大值处的方式在所述反射面之间取向；b)以780nm至10μm的波长范围内的电磁信号照射所述光电子元件(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f)；c)在所述光学微腔内增强所述待探测的电磁信号，其中，通过所述待探测的信号的波长诱导，实现从所述化合物1到所述化合物2的直接的生色团间的电荷转移；d)将所述电磁信号转换为电信号。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.14 DE 102015215581.11.用于探测在780nm至10μm的波长范围内的电磁信号的方法，所述方法具有如下步骤：a)提供光电子元件(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f)，所述光电子元件布置在基底(2)上并且i.具有两个彼此间隔开且对置的、构造出光学微腔的反射面，ii.具有布置在所述反射面之间的光活性层(5)，所述光活性层包含至少一个化合物1和化合物2，其中，所述化合物1的HOMO能与所述化合物2的LUMO能之间的能量差位于1.6eV以下，其中，所述反射面之间的光程长度相应于待探测的信号的波长的25％至75％范围，并且其中，待探测的电磁信号的波长范围的能量当量位于-通过所述化合物1的HOMO能和所述化合物2的LUMO能限定的能量差的范围内，和-通过所述化合物1的HOMO能和LUMO能限定的能量差的范围内，其中，所述光活性层(5)以在所述光学微腔内处在所述待探测的电磁信号的波长的空间上的强度最大值处的方式在所述反射面之间取向；b)以780nm至10μm的波长范围内的电磁信号照射所述光电子元件(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f)；c)在所述光学微腔内增强所述待探测的电磁信号，其中，通过所述待探测的信号的波长诱导，实现从所述化合物1到所述化合物2的直接的生色团间的电荷转移；d)将所述电磁信号转换为电信号。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光学微腔内布置有两个光学间距保持层(4)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个对置的反射面平面平行地以相对彼此100nm至5000nm范围内的几何间距布置。4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，以频谱分辨的方式探测所述电磁信号，其中，所述光电子元件(1e、1f)的两个对置的反射面的几何间距在至少一个侧向方向上连续或不连续地变化。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述两个对置的反射面倾斜地以在1nm至500nm范围内的几何间距的连续变化和在100nm至5000nm范围内的平均几何间距相对彼此布置。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述两个对置的反射面以几何间距的不连续变化来布置，其中，所述光电子元件(1f)具有彼此电绝缘的部段，在所述部段之内，两个对置的反射面平面平行地布置，其中，在相邻的部段内两个对置的反射面的几何间距彼此不同。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述化合物1和所述化合物2在所述光活性层(5)中混合地存在。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过电极(3、11、19)以及至少一个读取单元(7)读取所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯恩哈德·西格蒙德，科恩·范德瓦尔，安德烈亚斯·米朔克，约翰内斯·本杜恩，多纳托·斯波尔托雷，克里斯蒂安·克尔纳，卡尔·莱奥，
申请(专利权)人：德累斯顿工业技术大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE