一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器制造技术

本发明专利技术涉及有机光电倍增探测器领域，一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器：以铟锡氧化物ITO作为阳极层，以聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)‑聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS作为阳极缓冲层，以3‑己基噻吩P3HT、聚[[9‑(1‑辛基壬基)‑9H‑咔唑‑2,7‑二基]‑2,5‑噻吩二基‑2,1,3‑苯并噻二唑‑4,7‑二基‑2,5‑噻吩二基PCDTBT、PSBTBT:PC71BM中的任意一种为有机活性层的给体材料，以富勒烯衍生物PCBM为有机活性层的受体材料，给体材料和受体材料组成有机活性层，以一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜为阴极层，纳米光栅矩阵镶嵌在有机活性层中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器
本专利技术涉及有机光电倍增探测器领域，特别是一种利用矩形金属光栅阵列做阴极的，激发表面等离子激元(SurfacePlasmonPolaritionsMode)增强活性层光吸收的电池结构。
技术介绍
有机光电倍增探测器具有质量轻、成本低、取材广泛、柔性可弯曲等诸多优点，近年来受到了研究者们的广泛关注。它利用电子（空穴）陷阱辅助空穴（电子）形成隧穿效应提高探测器的外量子效率(EQE)值。但是有机聚合物光电倍增探测器的响应速度比较慢，其对载流子的收集性能较差。针对这类问题研究者们将无机纳米或有机染料颗粒掺入体异质结的活性层中来实现光电倍增现象。例如：Chen等人将无机纳米颗粒锑化镉(CdTe)掺入P3HT:PCBM(质量比1:1)的活性层中，通过CdTe的引入带来大量的电子陷阱，从而实现光电倍增效应，其EQE最大值可达到8000%。Wang等人发现通过调节电子给体P3HT的原子自组装时间，改变P3HT分子排列方式，也可以提高空穴迁移率，使得外量子效率达到115800%。有机光电倍增探测器与有机光伏器件的结构基本类似，在有机光伏器件中，研究者们利用金属纳米结构激发表面等离激元，将入射光高效地捕获到活性层中，从而提高器件的光吸收效率，增大其外量子效率，增强载流子的收集效率。外量子效率也是光电倍增探测器的关键性能指标之一，外量子效率越高的器件具有更高的响应速度以及响应率，器件更加灵敏。因而，提高外量子效率是优化光电倍增探测器性能的一个重要方面。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：如何利用金属光栅背电极（阴极），提高有机光电倍增探测器的光吸收率。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器：以铟锡氧化物ITO作为阳极层，以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS作为阳极缓冲层，以3-己基噻吩P3HT、聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-二基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5-噻吩二基PCDTBT、PSBTBT:PC71BM中的任意一种为有机活性层的给体材料，以富勒烯衍生物PCBM为有机活性层的受体材料，给体材料和受体材料组成有机活性层，以一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜为阴极层，纳米光栅矩阵镶嵌在有机活性层中。作为一种优选方式：阳极层的厚度为180nm，阳极缓冲层的厚度为20nm，有机活性层的厚度为100nm，阴极层中金属纳米光栅矩阵的单元纳米金属柱横截面为边长为20nm的正方形，阴极层中金属纳米光栅矩阵的厚度为32nm，金属纳米光栅矩阵的占空比为0.75，阴极层的整体厚度为200nm。作为一种优选方式：有机活性层中给体材料的质量为受体材料质量的100倍。作为一种优选方式：阴极层的材料为金、银、铜、铝中的任意一种，纳米光栅矩阵中。作为一种优选方式：一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜的制作过程为通过真空蒸镀获得金属薄膜，然后通过激光光刻蚀获得金属纳米光栅矩阵，最终形成一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜。本专利技术的有益效果是：通过金属纳米光栅矩阵激发表面等离激元，利用其调控载流子的传输性能，辅助阴极界面电子俘获以提高有机光电倍增探测器的响应速度。拟通过激光光刻的方法在该界面处引入矩形阵列的凹凸图案，通过激发表面等离激元，大幅度提高器件的响应速度。附图说明图1是本专利技术的各层材料示意图；图2是本专利技术的三维立体结构示意图；其中，1、阳极层，2、阳极缓冲层，3、有机活性层，4、一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜，5、金属纳米光栅矩阵，6、金属薄膜。具体实施方式如图1所示，一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器，其结构为：180nm厚的铟锡氧化物（ITO）作为阳极，20nm的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为阳极缓冲层，质量比为100:1的有机物P3HT:PC71BM作为活性层，一体化的银纳米光栅（Agmetalgrating）矩阵与银膜（Agfilm）共同做电池的背电极(阴极)，其中银纳米光栅矩阵的单根银柱横截面宽度为20nm的正方形，单根银柱高为32nm，形成结构为ITO(180nm)/PEDOT:PSS/(20nm)/P3HT:PC71BM(40nm)/Agmetalgrating/Agfilm(200nm)）。其所述银膜可以通过真空蒸镀获得；银纳米光栅矩阵可以通过激光光刻获得；其他各有机功能层均可通过旋凃工艺在铟锡氧化物上获得。如图2所示，在金属薄膜衬底上续接金属纳米光栅矩阵，通过调整金属纳米光栅在结构中的占空比及金属纳米光栅高度参数，优化活性层的光吸收能力，极大增强活性层的光吸收效率。具体制作过程是：在ITO玻璃上通过旋凃工艺制备阳极缓冲层以及活性层；金属薄膜利用真空热镀膜技术或者是磁控溅射技术制备；金属纳米光栅矩阵阵列则是直接在金属薄膜上利用激光光刻技术刻蚀获得背电极。金属纳米光栅矩阵完全嵌入在活性层中，即获得一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器。所使用的金属背电极结构中金属纳米光栅矩阵为矩形阵列，最邻近的金属纳米光栅单元之间具有超小间距（5nm），较大高宽比（32:15）。本专利技术提出的使用具有金属纳米光栅的金属背电极结构对活性层光吸收能力有显著增强作用，从结构上以及性能上区别于现有技术。本专利技术中所使用金属纳米光栅作为器件的背电极，不仅能表现出良好的光反射特性，增加入射光在活性层的光路，而且能保证表面等离子激元可以被成功激发。金属纳米光栅，不仅可以使射光被局域在纳米光栅周围的活性层中，增强光吸收，而且使得金属阴极附近产生更多的电子，窄化空穴隧道势垒，提高空穴注入效率。所使用的金属材料为可以激发表面等离子激元的金、银、铜、铝中的一种。在金属阴极中，金属薄膜与金属纳米光栅的金属材质相同。其排布方式是矩形的二维阵列。所起到的作用是通过金属纳米光栅所激发的表面等离子激元获得高效的光吸收性能。所述金属纳米光栅的宽度和高度分别为15nm和32nm。所述金属纳米光栅的占空比（金属纳米光栅的宽度相比其周期）为0.75。本专利技术基于表面等离子体技术，用金属纳米光栅激发的表面等离子激元增强有机光电倍增探测器活性层的光吸收，获得高效光吸收的有机光电倍增探测器结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器，其特征在于：以铟锡氧化物ITO作为阳极层，以聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)‑聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS作为阳极缓冲层，以3‑己基噻吩P3HT、聚[[9‑(1‑辛基壬基)‑9H‑咔唑‑2,7‑二基]‑2,5‑噻吩二基‑2,1,3‑苯并噻二唑‑4,7‑二基‑2,5‑噻吩二基 PCDTBT、PSBTBT:PC71BM中的任意一种为有机活性层的给体材料，以富勒烯衍生物PCBM为有机活性层的受体材料，给体材料和受体材料组成有机活性层，以一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜为阴极层，纳米光栅矩阵镶嵌在有机活性层中。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器，其特征在于：以铟锡氧化物ITO作为阳极层，以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS作为阳极缓冲层，以3-己基噻吩P3HT、聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-二基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5-噻吩二基PCDTBT、PSBTBT:PC71BM中的任意一种为有机活性层的给体材料，以富勒烯衍生物PCBM为有机活性层的受体材料，给体材料和受体材料组成有机活性层，以一体化的金属纳米光栅矩阵和金属薄膜为阴极层，纳米光栅矩阵镶嵌在有机活性层中。2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元的有机光电倍增探测器，其特征在于：阳极层的厚度为180nm，阳极缓冲层的厚度为20nm，有机活性层的厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张叶，梁强兵，崔艳霞，李国辉，王文艳，冀婷，郝玉英，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14