一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，属于有机光电器件领域。该探测器的器件结构从下到上依此为衬底、导电阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和金属阴极，所述的光活性层是由聚合物给体和特定的聚合物受体PNDI‑DTBT共混形成的体异质结。在合理筛选聚合物给体和活性层形貌优化的协同作用下，光活性层具有合适的相分离尺度和优势的垂直相分布，在‑0.1V的工作电压下，探测器获得了低于10

【技术实现步骤摘要】
一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器
本专利技术属于有机光电探测器
，具体涉及一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器。
技术介绍
近年来，随着有机半导体材料和器件的迅猛发展，有机光电探测器(OPDs)逐渐成为了光探测器领域的研究热点。与传统的已商业化的无机光电探测器相比，有机光电探测器具有质轻、柔性、可在室温下工作、可溶液加工、可制备大面积器件等优点。而且，有机半导体的来源广泛、种类繁多、吸收光谱可调使得探测器的发展空间得到了大幅度的扩展。因此，有机光电探测器在健康监测、人工视觉、光通信、夜视、生物医学成像、图像传感器等领域有着广泛的应用前景(Adv.Mater.2020,32,1902045)。作为探测器的核心性能参数，比探测率D*表示了探测器件对光的探测能力。在只考虑散射噪声的条件下，比探测率可以由以下公式计算得到：从上式可以看出，如果想获得一个高探测性能的有机光探测器，需要获得在特定波长λ下实现较高的外量子效率EQE和较低的暗电流密度Jd，以达到高的比探测率。对于非倍增型的光探测器而言，EQE的变化范围有限，均小于100％。然而，不同光活性层体系的暗电流却相差悬殊，有的差别达到了几个数量级。因此，从提高比探测率的角度上，显著降低暗电流是实现高性能OPDs的一种有效策略。为了降低OPDs的暗电流，不同研究人员提出了不同的解决方案。PaulMeredith等人将基于PCDTBT:PC71BM的OPDs活性层厚度从100nm增加到700nm后，暗电流从60nA急剧下降到0.2nA，最终器件的比探测率显著提高至1013Jones的数量级(Laser&PhotonicsReviews,2015,8,924)。同样地，应磊等人通过将活性层厚度从110nm增加到300nm，-0.1V下的Jd从5.38×10-8Acm-2降到了4.85×10-10Acm-2，降低幅度达2个数量级，成功实现了2.61×1013Jones的基于NT40:N2200的高性能OPDs(ACSAppl.Mater.Interfaces2019,11,14208)。此外，除了适当增加活性层的厚度，合适的垂直相分离也能降低负偏压下的电荷注入，抑制OPDs的暗电流。梁永晔等人在聚合物PBT(TH)和PBD(TH)的侧链上引入EDOT单元，设计合成了PBT(EDOT)和PBD(EDOT)两种聚合物，分别与PC61BM和PC71BM搭配制备OPDs，实验结果表明EDOT的引入增加了聚合物与下层空穴传输层PEDOT:PSS之间的相互作用，形成了有利的垂直相分离，在PEDOT:PSS表面附近形成聚合物富集层，因此暗电流减少了约2个数量级，相应的探测器实现了106～107的电流开关比和约1013Jones的比探测率(Adv.Mater.2015,27,6496)。然而，由于OPDs的暗电流难以降低至10-10Acm-2以下，比探测率超过1014Jones的高性能OPDs鲜有报道。因此，制备一种具有高探测率和低暗电流的有机光探测器具有重要的研究和专利技术意义。我们希望通过寻找合适的活性层体系，并且通过活性层厚度和形貌两方面的优化来制备一种具有高探测率和低暗电流的OPDs。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为了进一步降低OPDs的暗电流以提高探测率，本专利技术提供了一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器的制备方法。本专利技术技术方案如下。一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，器件结构从下到上依次为衬底、导电阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和金属阴极，光活性层材料由包含给体和受体的混合溶液制成，光活性层采用的聚合物受体为PNDI-DTBT，给体包括PBDB-T、PM6、J51、J71、P3HT、PCE10、PCE11、PTQ10、PTQ1、PDPP3T或D18p-型聚合物中的一种以上。进一步地，所述金属阴极为Ag、Al或Au的不透明或半透明的电极材料。进一步地，所述导电阳极为ITO、Ag、Al、Au中的一种以上。进一步地，所述空穴传输层为PEDOT:PSS、MoO3、PVK、P3HT中的一种或多种。进一步地，所述电子传输层为PFN-Br、PDINO、PNDIT-F3N、ZrAcac、PEIE、TiO2、ZnO中的一种或多种。进一步地，所述给体与受体质量比为1:(0.01～100)，所述给体与受体混合溶液的浓度为5～50mg/mL。进一步地，给体与受体混合溶液采用有机溶剂为主溶剂和0～5％含量的溶剂添加剂来制备光活性层，光活性层在真空下抽去添加剂后进行温度为50～200℃、时间为0～60分钟的热退火，光活性层的厚度在50nm～5μm，光活性层面积在0.04～400cm2。进一步地，所述衬底的材料为透明聚合物材料柔性衬底或者石英玻璃刚性衬底。一种具有高探测率和低暗电流的光探测器的制备方法，具体制备步骤如下：1.ITO基片的清洗：将ITO玻璃基底依此用二次回收异丙醇、洗涤剂水、超纯水(3～4遍)、干净异丙醇进行超声清洗15～20min，清洗完毕后放入60～70℃的干燥箱中烘干或者用氮气吹扫进行干燥。2.空穴传输层的沉积：ITO基片先在小于100Pa的真空度下进行3～4分钟的氧气等离子体(Plasma)表面处理，随后空穴传输层PEDOT:PSS水溶液(CLEVIOSTMPVPAI4083，购自Heraeus)通过滤孔直径为0.22μm的水相聚醚砜针式滤器过滤后在匀胶机上用3000rpm旋涂30s，使其在Plasma处理后的ITO基片上得到约40nm的薄膜。再用150℃对基片烘烤15～20min，除去PEDOT:PSS薄膜层的水分，并转移至氮气保护的手套箱里。3.活性层的沉积：光活性层均采用体异质结结构，聚合物给体和受体根据优化后的质量比进行称量，共同溶于优化后的有机溶剂中，采用旋涂的方法加工活性层，通过调整溶液浓度和旋涂转速来控制理想的活性层厚度(约300nm)。活性层成膜后需要根据实验优化结果进行后处理，如去除高沸点添加剂、热退火等。具体的实施方法如下：①PBDB-T:PNDI-DTBT体系：给受体质量比为1:1，加工溶剂为氯苯(CB)+1vol.％辛二硫醇(ODT)，热退火120℃/10min。②J51:PNDI-DTBT体系：给受体质量比为2:1，加工溶剂为溴苯(BB)+0.75vol.％二苯醚(DPE)，热退火100℃/10min。③PCE10:PNDI-DTBT体系：给受体质量比为1:1，加工溶剂为氯苯(CB)，不进行热退火。④PTQ10:PNDI-DTBT体系：给受体质量比为1.5:1，加工溶剂为氯苯(CB)，不进行热退火。4.电子传输层的沉积：将PFN-Br溶解于甲醇中，制成0.5mg/mL的溶液，利用旋涂的方法在活性层上方沉积一层PFN-Br薄膜。旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为30s。5.金属顶电极的沉积：将基片转移至蒸镀舱内，当舱压降低至6×10-4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，器件结构从下到上依次为衬底(1)、导电阳极(2)、空穴传输层(3)、光活性层(4)、电子传输层(5)和金属阴极(6)，其特征在于，光活性层材料由包含给体和受体的混合溶液制成，光活性层(4)采用的聚合物受体为PNDI-DTBT，给体包括PBDB-T、PM6、J51、J71、P3HT、PCE10、PCE11、PTQ10、PTQ1、PDPP3T或D18p-型聚合物中的一种以上。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，器件结构从下到上依次为衬底(1)、导电阳极(2)、空穴传输层(3)、光活性层(4)、电子传输层(5)和金属阴极(6)，其特征在于，光活性层材料由包含给体和受体的混合溶液制成，光活性层(4)采用的聚合物受体为PNDI-DTBT，给体包括PBDB-T、PM6、J51、J71、P3HT、PCE10、PCE11、PTQ10、PTQ1、PDPP3T或D18p-型聚合物中的一种以上。


2.根据权利要求1所述的一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，其特征在于，所述金属阴极(6)为Ag、Al或Au的不透明或半透明的电极材料。


3.根据权利要求1所述的一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，其特征在于，所述导电阳极(2)为ITO、Ag、Al、Au中的一种以上。


4.根据权利要求1所述的一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，其特征在于，所述空穴传输层(3)为PEDOT:PSS、MoO3、PVK、P3HT中的一种或多种。
所述电子传输层(5)为PFN-Br、PDINO、PNDIT-F3N、ZrAcac、PEIE、TiO2、ZnO中的一种或多种。


5.根据权利要求1所述的一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，其特征在于，所述给体与受体质量比为1:(0.01～100)，所述给体与受体混合溶液的浓度为5～50mg/mL；
给体与受体混合溶液采用有机溶剂为主溶剂和0～5％含量的溶剂添加剂来制备光活性层，光活性层在真空下抽去添加剂后进行温度为50～200℃、时间为0～60分钟的热退火，光活性层的厚度在50nm～5μm，光活性层面积在0.04～400cm2。


6.根据权利要求1所述的一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，其特征在于，所述衬底的材料为透明聚合物材料柔性衬底或者石英玻璃刚性衬底。


7.权利要求1～6任一项所述具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)ITO基片的清洗：将ITO玻璃基底依此用二次回收异丙醇、洗涤剂水、超纯水、干...

【专利技术属性】
技术研发人员：段春晖，刘涛，吴宝奇，曹镛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44