CN103325944A - 高响应度有机太阳盲紫外光探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器。它包括基底、透明金属电极层、有机空穴传输层、有机活性层、阴极修饰层、金属电极层；从基底自下到上顺次设有透明金属电极层、有机空穴传输层、有机活性层、阴极修饰层、金属电极层。本发明通过有机活性层分子结构以及器件结构的设计，一方面使之仅吸收300nm以下区域的紫外光信号，可以使器件避免可见盲紫外信号和可见光信号的干扰，另一方面兼顾了有机活性层物质共轭长度和迁移率之间的矛盾，实现了对300nm以下辐射的高度响应；同时，由于器件以覆盖有透明金属电极层的石英/玻璃基底一侧为信号入射面，大大避免的普通ITO玻璃基底对300nm以下辐射的吸收。

Description

高响应度有机太阳盲紫外光探测器
技术领域
本发明涉及探测器，尤其涉及一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器。
技术背景
太阳紫外辐射在穿越大气层的过程中，由于受到热层中的氧原子及平流层中臭氧的强烈吸收，只有300-400nm波段的紫外线能够到达近地表面空间(25000米以下)，导致在该空间大气内几乎不存在0-300nm波段的紫外辐射，这一波段即所谓“太阳盲区”；而达到地表的紫外线由于大气的散射作用形成了均匀的紫外线背景，被称为“可见盲区”。鉴于“太阳盲区”紫外信号所具有的地表背景洁净、不受日光的干扰、信号处理负担轻的优势，对“太阳盲区”紫外信号的探测(接收)，不管在民用还是军用领域都有着重要的应用需求。如在高压输电线路的检修过程中，电线短路会出现电弧放电现象，发出300nm以下紫外辐射，利用“太阳盲区”紫外光探测技术，即使在白天也能及时、快速地定位故障点，从而将损失降到最低限。
“太阳盲区”紫外探测器一般由无机半导体材料如金刚石、AlGaN和MgZnO等制备而成。虽然这类材料具有高的迁移率和良好的稳定性，但是它们的加工工艺复杂，制备成本高昂，因此限制了大面积应用。另一方面，有机半导体由于其低廉的成本和优异的加工性能近年来受到人们的广泛关注并在各种光电器件中得到应用，其中也包括紫外探测器（CN101345291A，CN101055205A）。
有机紫外探测器一般以镀有导电氧化铟锡（ITO）薄膜的玻璃作为基底电极和透光窗口(探测面)，由于ITO玻璃对300nm以下紫外的阻隔作用，这种器件一般只能对300nm以上波段的近紫外光进行探测。如果以透明金属电极作为对电极并使光从此侧入射，虽然能够将器件的探测区间延伸到300nm以下波段，但为了尽可能提高300nm以下电磁波在透明金属电极层的透过率，一般都需要将透明金属电极层制作得很薄，这就在大大增加了探测器中活性层材料与外界环境中水、氧的接触几率，不利于器件的长时间工作。这就需要设计新的器件结构。
同时，如果要使器件实现本征的太阳盲紫外波段响应，就必须对有机材料的共轭尺度进行严格的限制。同时，要使器件在太阳盲紫外区间产生高的响应度，那就必须兼顾有机材料的小共轭尺度和低载流子迁移能力之间的矛盾，这就大大缩小了有机材料的选择空间，增加的器件的设计难度。
通过在合理的分子结构设计，以在太阳盲紫外区间具有强吸收特性的有机材料为给体、受体材料，在给体、受体材料合理组合的基础上，实现了对“太阳盲区”辐射的高的响应度。由于给体、受体材料都仅在300nm以下有吸收，所以器件避免了可见盲区紫外线和可见光信号的干扰。同时，将透明金属电极移到基底一侧，并以基底侧作为探测面，就可以使用比较厚的对电极(阴极)层材料，有利于保护活性层材料。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器。
高响应度有机太阳盲紫外光探测器包括基底、透明金属电极层、有机空穴传输层、有机活性层、阴极修饰层、金属电极层；从基底自下而上顺次设有透明金属电极层、有机空穴传输层、有机活性层、阴极修饰层、金属电极层。
所述的基底的材料为玻璃、石英。所述的透明金属电极层的材料为银、铝、金或它们的混合物，厚度为5-20nm。所述的金属电极层的材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化铟锡。所述的有机活性层为：给体材料D和受体材料A的混合层或给体材料D和受体材料A的叠层。
所述的给体材料D的分子结构通式为：
Figure BDA00003273418000021
其中，R为吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪或三唑。
其所述的受体材料A的分子结构通式为：
Figure BDA00003273418000031
其中，R为吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪或三唑。
所述的混合层中给体材料D的重量分数为5～95%。
本发明通过有机活性层的设计，兼顾了有机活性层物质共轭长度和迁移率之间的矛盾，实现了对太阳盲区紫外辐射的高度响应并同时避免了可见盲紫外信号和可见光信号的干扰。将透明金属电极移到基底一侧，并以基底侧作为探测面，就可以使用比较厚的对电极(阴极)层材料，有利于保护活性层材料。由于有机活性层由有机材料组成，器件具有价格低廉、加工方便、可大面积制作等优点。
附图说明
图1是高响应度有机太阳盲紫外光探测器的结构示意图；
图2是可在本发明中用作有机活性层中给体材料D、受体材料A和给体/受体复合薄膜的吸收光谱。从谱图中可以看到，给体材料D、受体材料A和给体/受体复合薄膜材料(D:A)在300nm以下区域有强的吸收，有利于提高探测器在太阳盲波段的响应；在近紫外和可见光区域，其吸收几乎为零，有利于避免可见光信号的干扰；
图3是本发明的有机太阳盲紫外光探测器的光谱响应谱图，从谱图中可以看到，当光从透明金属电极2侧入射时，器件对近紫外光和可见光没有响应，呈现太阳盲的特征。
具体实施方式
如图1所示，高响应度有机太阳盲紫外光探测器包括基底1、透明金属电极层2、有机空穴传输层3、有机活性层4、阴极修饰层5、金属电极层6；从基底1自下而上顺次设有透明金属电极层2、有机空穴传输层3、有机活性层4、阴极修饰层5、金属电极层6。
所述的基底1的材料为玻璃或石英。所述的透明金属电极层2的材料为银、铝、金或银/铝混合物，厚度为5-20nm。所述的金属电极6的材料为、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化铟锡。所述的有机活性层4为：给体材料D和受体材料A的混合层或给体材料D和受体材料A的叠层。
所述的给体材料D的分子结构通式为：
Figure BDA00003273418000041
其中，R为吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪或三唑。
其所述的受体材料A的分子结构通式为：
其中，R为吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪或三唑。
所述的混合层中给体材料D的重量分数为10～90%。
通过如下实施例对本发明作进一步的详述：
实施例1：
将玻璃基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤5分钟后，用去离子水漂洗并烘干。在玻璃基底上真空蒸镀一层10nm厚的金属铝，经紫外-臭氧处理后，再用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为吡嗪)为给体材料，和A(R为三唑)为受体材料。先在PEDOT:PSS上用旋涂的方法制备厚度约为30nm的D，再在D薄膜上用真空蒸镀的方法制备厚度约为20nm的A，以上两层构成平面异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，100nm厚的铝电极。如上所述，得到如图1所示的高响应度有机太阳盲紫外光探测器。
实施例2：
将石英基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤5分钟后，用去离子水漂洗并烘干。在石英基底上真空蒸镀一层20nm厚的金属银，经紫外-臭氧处理后，用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为吡啶)为给体材料，和A(R为三嗪)为受体材料。在PEDOT:PSS上用真空混合蒸镀的方法制备厚度约为70nm的混合薄膜，在制备过程中，通过控制蒸发速度，实现混合薄膜中给体材料D:受体材料A重量比为95:5，形成具有本体异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，200nm的银电极。如上所述，得到如图1所示的高响应度太阳盲紫外光探测器。
实施例3：
将石英基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤5分钟后，用去离子水漂洗并烘干。在石英基底上真空蒸镀一层15nm厚的金属金，经紫外-臭氧处理后，用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为嘧啶)为给体材料，和A(R为吡啶)为为受体材料。先在PEDOT:PSS上用真空蒸镀的方法制备厚度约为30nm的D，再在D薄膜上用真空蒸镀的方法制备厚度约为30nm的A，以上两层构成平面异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，300nm的金电极。如上所述，得到如图1所示高响应度太阳盲紫外光探测器。
实施例4：
将玻璃基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤5分钟后，用去离子水漂洗并烘干。在玻璃基底上真空蒸镀一层18nm厚的银/铝混合物，经紫外-臭氧处理后，用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为哒嗪)为给体材料，和A(R为吡嗪)为受体材料。在PEDOT:PSS上用真空混合蒸镀的方法制备厚度约为80nm的混合薄膜，在制备过程中，通过控制蒸发速度，实现混合薄膜中给体:受体重量比为5:95，形成具有本体异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，150nm的铜电极。如上所述，得到如图1所示的高响应度太阳盲紫外光探测器。
实施例5：
将玻璃基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤5分钟后，用去离子水漂洗并烘干，在玻璃基底上真空蒸镀一层12nm厚的银，经紫外-臭氧处理后，用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为三嗪)为给体材料，和A(R为哒嗪)为受体材料。先在PEDOT:PSS上用真空蒸镀的方法制备厚度约为30nm的D，再在D薄膜上用真空蒸镀的方法制备厚度约为30nm的A，以上两层构成平面异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，250nm的镁电极。如上所述，得到如图1所示的高响应度太阳盲紫外光探测器。
实施例6：
将石英基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤5分钟后，用去离子水漂洗并烘干，在石英基底上真空蒸镀一层7nm厚的银/铝，经紫外-臭氧处理后，用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为三唑)为给体材料，和A(R为吡嗪)为受体材料。在PEDOT:PSS上用真空混合蒸镀的方法制备厚度约为60nm的混合薄膜，在制备过程中，通过控制蒸发速度，实现两者以重量比1:1混合，形成具有本体异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，溅射200nm的氧化铟锡电极。如上所述，得到如图1所示的高响应度太阳盲紫外光探测器。
实施例7：
将石英基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮超声洗涤10分钟后，用去离子水漂洗并烘干。在石英基底上真空蒸镀一层5nm厚的金，经过紫外-臭氧处理后，用旋涂的方法制备厚度约为40nm的PEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)空穴传输层，120°C下烘烤15分钟后取出。选择D(R为嘧啶)为给体材料，和A(R为嘧啶)为受体材料。先在PEDOT:PSS上用旋涂的方法制备厚度约为30nm的D，再在D薄膜上用真空蒸镀的方法制备厚度约为30nm的A，以上两层构成平面异质结结构的有机活性层。最后，用真空蒸镀的方法依次制备1nm厚的LiF，溅射200nm厚的氟掺氧化铟锡电极。如上所述，得到如图1所示的高响应度太阳盲紫外光探测器。

Claims (8)

1.一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于包括基底（1）、透明金属电极层（2）、有机空穴传输层（3）、有机活性层（4）、阴极修饰层（5）、金属电极层（6）；从基底（1）自下而上顺次设有透明金属电极层（2）、有机空穴传输层（3）、有机活性层（4）、阴极修饰层（5）、金属电极层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的基底（1）的材料为玻璃或石英。
3.根据权利要求1所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的透明金属电极层（2）的材料为银、铝、金或银/铝混合物，厚度为5-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的金属电极层（6）的材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化铟锡。
5.根据权利要求1所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的有机活性层（4）为：给体材料D和受体材料A的混合层或给体材料D和受体材料A的叠层。
6.根据权利要求5所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的给体材料D的分子结构通式为：
Figure 458935DEST_PATH_IMAGE001
其中，R为吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪或三唑。
7.根据权利要求5所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的受体材料A的分子结构通式为：
其中，R为吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪或三唑。
8.根据权利要求5所述的一种高响应度有机太阳盲紫外光探测器，其特征在于所述的混合层中给体材料D的重量分数为5~95%。
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