CN102110736B - 一种基于胶体量子点的红外光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于胶体量子点的红外光电探测器及其制备方法，属于光电探测器技术领域。在ITO玻璃表面旋涂一层PEDOT:PSS空穴注入层，然后真空烘烤；再在PEDOT:PSS空穴注入层上旋涂一层有机活性层；最后真空条件下在有机活性层上蒸镀电极，即得到红外光电探测器。本发明的光电探测器结构简单；能够探测红外波段；PbS胶体量子点的加入降低激子的复合速率，从而增加光电探测器的光电导率；PbS胶体量子点的加入对聚合物具有敏化作用，从而使光电流增加更快；PCBM和MEH-PPV混合物的使用能够形成良好的互穿网络结构，使得光生激子有效地分离并快速传输，复合几率大大降低，光电流明显增大，能量转换效率提高。

Description

一种基于胶体量子点的红外光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于胶体量子点的红外光电探测器及其制备方法，属于光电探测器技术领域。
背景技术
近年来，有机-无机复合光电导器件的研究受到了国内外科研工作者的广泛关注，并取得了许多研究成果。随着对半导体纳米晶的制备技术及其性质研究的突破，推动了纳米晶/聚合物复合器件的发展，人们纷纷将半导体纳米晶与有机聚合物相复合并应用于光电导器件的研究。
半导体纳米晶由于具有量子尺寸效应使其吸收光谱的峰位可以通过控制量子点的尺寸和形貌进行调节，有机聚合物可以通过溶液甩膜方式在衬底上成膜，具有工艺简单、成本低廉的优点，从而广泛应用于光电器件的制作中。另外，有机聚合物本身具有相对较大的激子束缚能以及低的电子迁移率等特性。因此将半导体纳米晶与有机(聚合物)材料复合并制备有机-无机复合光电导器件是目前应用研究的热点之一。这种光电导器件是构建施主-受主异质结的器件，在两种材料的界面处要求存在着由于电子亲合能和离化能之差形成的静电力，这就要求聚合物分子的电子亲合势和离化能比纳米晶要大，这样才会形成内建电场，从而驱使电荷分离。如果势能差大于激子束缚能，这些局域内电场会很强并使光生激子解离。另外，硫化铅(PbS)是一种重要的直接窄禁带半导体材料，在室温下，其禁带宽度约为0.4eV，其波尔激子半径则相对较大(～18nm)。这些特性使PbS对红外辐射很敏感，相对于其他溶液法制备的半导体量子点材料，PbS表现出了极大的优势而被广泛用作为红外探测材料。另外，由于MEH-PPV具有较低的离化势能(约在4.9eV和5.1ev之间)以及PCBM具有很好的空穴传输性能。因此，我们选用MEH-PPV和PCBM来作为载流子受体及载流子传输材料，并用PbS量子点来敏化它们，从而使器件的吸收光谱扩展到红外波段。此外，MEH-PPV与PbS量子点之间相近的HOMO能级以及PCBM与PbS量子点之间相近的LUMO能级分别有利于量子点产生的空穴和电子向相应电极的传输。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于胶体量子点的红外光电探测器及其制备方法，即利用胶体量子点PbS掺入到有机聚合物或有机聚合物的混合物中使其对太阳光的吸收增强并将其吸收光谱由可见光波段拓展到红外波段，从而增强了光电流强度、进而提高红外光电探测器灵敏度的制备技术和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种基于胶体量子点的红外光电探测器，包括氧化铟锡(ITO)玻璃、PEDOT:PSS空穴注入层、有机活性层和电极；其中有机活性层包括胶体量子点和有机聚合物；
上述的PEDOT:PSS是由PEDOT和PSS两种物质构成，PEDOT是EDOT(3，4-乙撑二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐，PEDOT和PSS的质量比为1∶2.5；
上述胶体量子点为吸收峰在红外波段(波长大于800nm)的半导体材料，优选为PbS；
上述的有机聚合物为MEH-PPV和PCBM的混合物；
其中MEH-PPV为Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1，4-phenylenevinylene]，PCBM为[6，6]-Phenyl C61butyric acid methyl ester；胶体量子点、MEH-PPV和PCBM的质量比为2∶1∶4；
上述电极为功函数小于等于4.3eV的金属电极优选为铝电极、多层金属电极优选为Ca/Al或者金属合金优选为Mg/Ag合金；
上述的红外光电探测器还可以包括电子传输层和空穴传输层。
本发明的一种基于胶体量子点的红外光电探测器的制备方法，具体步骤为：
在ITO玻璃表面旋涂一层PEDOT:PSS空穴注入层，然后真空烘烤，烘烤温度为110～130℃，烘烤时间为10～30min；再在PEDOT:PSS空穴注入层上旋涂一层有机活性层；最后真空条件下在有机活性层上蒸镀电极，即得到红外光电探测器。
还可以通过设计ITO和电极不同的图案得到场效应晶体管结构的红外光电探测器。
有机活性层中的有机聚合物或胶体量子点吸收光子后，使得电子很容易由PbS转移到PCBM上，而空穴很容易由PbS转移到MEH-PPV上，这样就实现了电荷分离，由此可以看出这种界面电荷的转移和分离可以降低激子的复合速率，从而增加器件的光电导率。
将MEH-PPV与PCBM混合之后，其混合溶液的吸收光谱是单组分材料的吸收光谱的线性叠加；再在该混合溶液中进一步掺入PbS胶体量子点之后，该最后混合溶液的吸收光谱扩展到红外波段。因此基于该混合溶液为有机活性层制备的光电探测器件能吸收可见光波段及红外光波段，其光电流响应增强，灵敏度提高。
有益效果
本发明的光电探测器结构简单；能够探测红外波段；PbS胶体量子点的加入降低激子的复合速率，从而增加光电探测器的光电导率；PbS胶体量子点的加入对聚合物具有敏化作用，从而使光电流增加更快；PCBM和MEH-PPV混合物的使用能够形成良好的互穿网络结构，使得光生激子有效地分离并快速传输，复合几率大大降低，光电流明显增大，能量转换效率提高。
附图说明
图1为红外光电探测器的各组分的能级分布图；
图2为实施例1、对比例1和对比例2中制备的光电探测器在中心波长为980nm的半导体激光器的70mW/cm2光照强度条件下光照的I-V曲线；
图3为实施例1制备的光电探测器在中心波长为980nm的半导体激光器的70mW/cm2光照强度条件下光照的I-V曲线和没光照条件下的I-V曲线对比图；
图4为PbS溶液、MEH-PPV溶液以及PCBM溶液的吸收光谱图；
图5为PbS溶液、MEH-PPV溶液和PCBM溶液的混合溶液的吸收光谱图；
图6为实施例1制备的红外光电探测器的结构示意图；
图7为实施例2制备的红外光电探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
基于胶体量子点的红外光电探测器，包括ITO玻璃、PEDOT:PSS空穴注入层、有机活性层和电极；其中ITO玻璃在可见光以及近紫外光范围内透过率为85％；PEDOT:PSS空穴注入层有利于空穴注入；有机活性层包括胶体量子点PbS、MEH-PPV和PCBM，胶体量子点PbS、MEH-PPV和PCBM的质量比为2∶1∶4；电极为铝电极，其功函数为4.2eV；红外光电探测器的各组分的能级分布图如图1所示，由图1可以得知，铝与胶体量子点PbS、MEH-PPV、PCBM有好的能级匹配，有利于电荷的收集，而且Al在空气中稳定；
上述的PEDOT:PSS是由PEDOT和PSS两种物质构成，PEDOT是EDOT(3，4-乙撑二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐，PEDOT和PSS的重量比为1∶2.5。
基于胶体量子点的红外光电探测器的制备方法，具体步骤为：
首先用脱脂棉和洗涤剂反复擦拭ITO玻璃，并用自来水冲洗干净，然后再分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各15分钟，在超净间中用氮气吹干后在ITO玻璃表面旋涂一层40nm厚的PEDOT:PSS空穴注入层，放入真空烘箱中在120℃下烘烤20分钟；再在PEDOT:PSS空穴注入层上旋涂一层100nm厚的有机活性层；最后在有机活性层上、4×10-3Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的铝电极，即得到基于胶体量子点与有机聚合物的红外光电探测器，如图6所示。
实施例2
基于胶体量子点的红外光电探测器，包括ITO玻璃、有机活性层和电极；其中ITO玻璃在可见光以及近紫外光范围内透过率为85％；有机活性层包括胶体量子点PbS、MEH-PPV和PCBM，胶体量子点PbS、MEH-PPV和PCBM的质量比为2∶1∶4；电极为铝电极，其功函数为4.2eV；红外光电探测器的各组分的能级分布图如图1所示，由图1可以得知，铝与胶体量子点PbS、MEH-PPV、PCBM有好的能级匹配，有利于电荷的收集，而且Al在空气中稳定。
基于胶体量子点的红外光电探测器的制备方法，具体步骤为：
首先用脱脂棉和洗涤剂反复擦拭氧化铟锡(ITO)玻璃，并用自来水冲洗干净，然后再分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各15分钟，在超净间中用氮气吹干后在ITO玻璃表面旋涂100nm厚的有机活性层；最后在有机活性层上、4×10-3Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的铝电极，即得到基于胶体量子点与有机聚合物的具有场效应晶体管结构的红外光电探测器，如图7所示。
对比例1
红外光电探测器和制备方法同实施例1，其中不同的是以MEH-PPV+PbS代替MEH-PPV+PCBM+PbS作为有机活性层，最后制得基于胶体量子点与有机聚合物的红外光电探测器。
对比例2
红外光电探测器和制备方法同实施例1，其中不同的是以PCBM+PbS代替MEH-PPV+PCBM+PbS作为有机活性层，最后制得基于胶体量子点与有机聚合物的红外光电探测器。
实施例1、对比例1和对比例2中制备的光电探测器在中心波长为980nm的半导体激光器的70mW/cm2光照强度条件下光照的I-V曲线如图2所示；
由图中可以得知由实施例1得到的光电探测器的光电流最强；
实施例1制备的光电探测器在中心波长为980nm的半导体激光器的70mW/cm2光照强度条件下光照的I-V曲线和没有光照条件下的I-V曲线对比图如图3所示；
由图中可知，实施例1在光照条件下的灵敏度高于没有光照时的灵敏度。
PbS溶液、MEH-PPV溶液以及PCBM溶液的吸收光谱图如图4所示，PbS溶液、MEH-PPV溶液和PCBM溶液的混合溶液的吸收光谱图如图5所示，由图4和图5可知，PbS溶液、MEH-PPV溶液和PCBM溶液的混合溶液的吸收光谱是PbS溶液、MEH-PPV溶液以及PCBM溶液的吸收光谱的线性叠加；
由图5可知，在混合溶液中掺入PbS溶液之后，该最后混合溶液的吸收光谱扩展到红外波段；因此基于该混合溶液为有机活性层制备的光电探测器件能吸收可见光波段及红外光波段，其光电流响应增强，灵敏度提高。

Claims (8)

1.一种基于胶体量子点的红外光电探测器，包括氧化铟锡玻璃、聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐空穴注入层、有机活性层和电极；其特征在于：有机活性层包括胶体量子点和有机聚合物；
其中聚3，4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐的质量比为1∶2.5；
胶体量子点为吸收峰在红外波段的半导体材料；
有机聚合物为聚苯乙烯磺酸盐和[6.6]-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物；
其中胶体量子点、聚苯乙烯磺酸盐和[6.6]-苯基-C61-丁酸甲酯的质量比为2∶1∶4；
电极为功函数小于等于4.3eV的金属电极、多层金属电极或者金属合金。
2.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的红外光电探测器，其特征在于：胶体量子点为PbS。
3.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的红外光电探测器，其特征在于：金属电极为铝电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的红外光电探测器，其特征在于：多层金属电极为Ca/Al。
5.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的红外光电探测器，其特征在于：金属合金为Mg/Ag合金。
6.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的红外光电探测器，其特征在于：红外光电探测器还包括电子传输层和空穴传输层。
7.一种基于胶体量子点的红外光电探测器的制备方法，其特征在于具体步骤为：在氧化铟锡玻璃表面旋涂一层聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐空穴注入层，然后真空烘烤，烘烤温度为110～130℃，烘烤时间为10～30min；再在聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐空穴注入层上旋涂一层有机活性层；最后真空条件下在有机活性层上蒸镀电极，即得到红外光电探测器。
8.根据权利要求7所述的一种基于胶体量子点的红外光电探测器的制备方法，其特征在于：首先用脱脂棉和洗涤剂反复擦拭氧化铟锡玻璃，并用自来水冲洗干净，然后再分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各15分钟，在超净间中用氮气吹干后在氧化铟锡玻璃表面旋涂100nm厚的有机活性层；最后在有机活性层上、4×10-3Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的铝电极，即得到基于胶体量子点与有机聚合物的具有场效应晶体管结构的红外光电探测器。
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