CN105633283A - 一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法，本发明采用有机体异质结材料体系作为有源层材料，该材料体系应用于光电传感器中时，可显著提高制备的光电探测器的光电响应度，降低光电传感器的工作电压，提高光电传感器的柔性可折叠程度。另外，本发明的柔性材料层、介质层和栅电极几乎均为透明的，从而使得最终制备得到的光电传感器为全透明的，这样可以更好的接受光照。此外，本发明制备方法得到的光电传感器厚度超薄。

Description

一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电传感器技术领域，尤其涉及一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法。

背景技术

可穿戴式医疗设备可探测各种人体生理信号。其中，脉搏信号是人体重要的生理参数，能够反映出人体心脏和血管的功能状况，是临床上诊断疾病、观察治疗效果、进行预后判断的重要依据，因此对脉搏信号的连续测量在临床和医学研究中具有重要的意义。血液容积的脉动变化反映心搏功能、血液流动等诸多血管的主要信息，这种血液容积的脉动性可通过光电传感器进行探测，该种方法被称为光电容积脉搏波描记法，利用该技术制成的医疗设备中的核心部件包括光源与光电传感器，光源发射的光经过皮肤组织后与血液发生反射、吸收或者散射，光电传感器将经过皮肤组织后的光转换成电信号，从而完成对血液容积的脉动情况的探测，该技术能够摆脱传统脉搏测试的束缚，佩戴舒适，并可对人体血压进行24小时连续监测。目前，基于光电容积脉搏波描记法的光电传感器大都由硅（Si）和III-V族半导体等无机半导体材料制备而成。通过选取合适的材料合成方法，这些光电传感器将具有可调的带隙、可控的载流子迁移率、可变的电子缺陷态分布等电学特性。然而现有的光电传感器仍存在探测光信号损耗严重、功耗大、灵敏度低及柔性程度不足等问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法，旨在解决现有光电传感器存在的光信号损耗严重、功耗大、灵敏度低及柔性程度不足等问题。

本发明的技术方案如下：

一种透明、柔性的光电传感器，其中，依次包括：衬底、在所述衬底上设置的柔性材料层、在所述柔性材料层上设置的源漏电极，在所述源漏电极上和所述柔性材料层未覆盖源漏电极区域上设置的有源层、在所述有源层上设置的介质层、在所述介质层上设置的栅电极，在所述栅电极上和所述介质层未覆盖栅电极区域上设置的保护层；其中，所述栅电极为银纳米线薄膜，所述介质层为离子凝胶。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述衬底为Si或SiO₂。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述柔性材料层为聚酰亚胺。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述源漏电极的材料为铬金合金。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述源漏电极的有源部分设计为叉指型结构，连接部分设计为蛇形结构。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述有源层为电子给体材料和电子受体材料通过溶液共混形成的有机体异质结。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述电子给体材料为P3HT，所述电子受体材料为PCBM。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述栅电极设计为蛇形结构。

所述的透明、柔性的光电传感器，其中，所述保护层为聚对二甲苯。

一种如上任一所述的透明、柔性的光电传感器的制备方法，其中，包括步骤：

A、通过甩胶方式在衬底上制备柔性材料层；

B、通过真空蒸镀方式在所述柔性材料层上制备源漏电极；

C、通过甩胶方式在所述源漏电极上和所述柔性材料层未覆盖源漏电极区域上制备有源层；

D、通过甩胶方式在所述有源层上制备栅电极，再在所述栅电极上通过甩胶方式制备介质层；其中，所述栅电极为银纳米线薄膜，所述介质层为离子凝胶；

E、将D中的栅电极和介质层一同取出，倒贴在有源层上，最后在栅电极上和介质层未覆盖栅电极区域上制备保护层，得到光电传感器。

有益效果：本发明利用银纳米线薄膜作为栅电极，离子凝胶作为介质层，从而提高光电传感器的透光性及柔软性，并大幅降低其功耗。

附图说明

图1为本发明一种透明、柔性的光电传感器较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明源漏电极的结构示意图。

图3为本发明光电传感器分别在黑暗和光照情况下测得的转移特性曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种透明、柔性的光电传感器较佳实施例的结构示意图，如图所示，自下而上依次包括：衬底1、在所述衬底1上设置的柔性材料层2、在所述柔性材料层2上设置的源漏电极（源漏电极包括源电极3和漏电极4），在所述源漏电极上和所述柔性材料层2未覆盖源漏电极区域上设置的有源层5、在所述有源层5上设置的介质层6、在所述介质层6上设置的栅电极7，在所述栅电极7上和所述介质层6未覆盖栅电极7区域上设置的保护层8；其中，所述栅电极7为银纳米线薄膜，所述介质层6为离子凝胶。

本发明所述栅电极为银纳米线薄膜，这是由于银纳米线是一种具有高导电率的材料，可用来制作透明、柔性的电极。本发明所述介质层为离子凝胶（离子液体），离子凝胶是由低摩尔质量的阳离子和阴离子组成的，可以作为一种高电容栅介质。栅介质的电容是衡量光电晶体管性能好坏的重要参数。离子液体在电解质/电极的接触面形成双电层结构，因而具有较大的电容值，此外其还具有宽的电化学窗口，从而提高了制得的光电传感器的性能。本发明利用银纳米线薄膜作为栅电极，离子凝胶作为介质层，从而提高光电传感器的透光性及柔软性，并大幅降低其功耗。

优选地，本发明所述衬底可以为但不限于Si或SiO₂等硅材料。所述柔性材料层优选为聚酰亚胺，这是由于有机高分子材料聚酰亚胺具有柔性、透光性好、耐高温、高绝缘性、无毒等特点。

优选地，本发明所述源漏电极的材料为铬金合金。其中，所述源漏电极包括源电极和漏电极，即所述源电极和漏电极的材料均为铬金合金，这是由于该材料的电极不仅具有较好的导电性能，还能确保电极在衬底上的粘附能力。进一步地，如图2所示，本发明所述源漏电极的有源部分设计为叉指型结构12，源漏电极的连接部分设计为蛇形结构。即本发明源电极11和漏电极9的有源部分设计为叉指型结构12，这是因为本发明的有机光电传感器为光晶体管结构，根据光晶体管的工作原理可知，为获得高光电增益G，源漏间的沟道长度L越小越好，并且为了在低电压下尽可能获得大的电流，应选择大的宽长比（W/L），因此，本发明将源电极11和漏电极9的有源部分设计为叉指形结构12，从而可获得高光电增益的有机光电传感器。本发明源电极11和漏电极9的连接部分设计为蛇形结构，这是由于蛇形结构的漏电极9和源电极11可有效提升光电晶体管的柔性和拉伸性能。

优选地，本发明所述有源层为电子给体材料和电子受体材料通过溶液共混形成的有机体异质结，选用所述有机体异质结材料体系作为有源层材料，可显著提高制备的光电传感器的光电转换能力，扩展光信号的波长探测范围，提高光电增益。更优选地，本发明所述电子给体材料可以为PDQT，所述电子受体材料可以为PCBM。PDQT为共轭聚合物,其分子式位poly(N-alkyldiketopyrrolo-pyrroledithienylthieno[3,2-b]thiophene)，该聚合物的骨架结构呈现电子施主和电子受主单元交替排列的特征，从而形成“推-拉”式电子官能团结构，分子的自组装能力大为提升，分子排列更为规整，由其构成的晶体管器件显示高的载流子迁移率。PCBM是一个富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethylester，所述PCBM具有较好的溶解性，较低的电子迁移率，能与电子给体材料形成良好的相分离。因此本发明使用PDQT和PCBM通过溶液共混形成的有机体异质结用作有源层，可显著提高制备的光电传感器的光电转换能力，扩展光信号的波长探测范围，提高光电增益。本发明有源层的材料还可以由其他电子给体材料(比如P3HT等)和PC₆₁BM通过溶液共混形成。

优选地，本发明所述保护层为ParyleneC（聚对二甲苯）。本发明采用ParyleneC作为有机光电传感器的封装保护层，是因为所述ParyleneC可在真空下气相沉积，其良好穿透力能在器件内部、底部，周围形成无针孔，厚度均匀的透明绝缘涂层，给器件提供一个完整的优质防护涂层，较好的抵御酸碱、盐雾、霉菌及各种腐蚀性气件的侵害。

本发明利用聚酰亚胺薄膜作为柔性材料层，叉指型电极作为源漏电极，银纳米线薄膜作为栅电极，离子凝胶作为介质层，聚对二甲苯作为保护层，从而降低光电传感器的入射光信号损耗，提高光电传感器的柔性、可折叠程度；本发明利用离子凝胶作为介质层，有机体异质结作为有源层，并采用晶体管结构，提高有机光电传感器的灵敏度，降低有机光电传感器的功耗。

基于上述有机光电传感器，本发明还提供一种如上任一所述的有机光电传感器的制备方法，其中，包括步骤：

A、通过甩胶方式或喷墨打印方式在衬底上制备柔性材料层；

本发明可通过低成本的甩胶方式或喷墨打印方式制备出厚度可调的柔性材料层，其厚度可控制在几个微米量级，从而显著减少整个有机光电传感器的厚度，利于获得超薄、柔性可拉伸的有机光电传感器。

B、通过真空蒸镀方式在所述柔性材料层上制备源漏电极；

具体地，本发明采用金属掩膜板通过真空蒸镀方式在所述柔性材料层上制备源漏电极。即本发明采用金属掩膜板通过真空热蒸发设备在所述柔性材料层上蒸镀源电极和漏电极。

C、通过甩胶方式或喷墨打印方式在所述源漏电极上和所述柔性材料层未覆盖源漏电极区域上制备有源层；

本发明所述有源层为电子给体材料和电子受体材料通过溶液共混形成的有机体异质结。本发明将电子给体材料和电子受体材料通过溶液共混，并通过低成本的甩胶方式或喷墨打印方式在漏电极、源电极上和柔性材料层上未覆盖区域涂甩，并通过退火工艺，获得高质量的有机体异质结材料有源层薄膜。

D、通过甩胶方式在所述有源层上制备栅电极，再在所述栅电极上通过甩胶方式制备介质层；其中，所述栅电极为银纳米线薄膜，所述介质层为离子凝胶。

具体地，本发明离子凝胶的制备步骤是：将P（VDFHFP）溶于丙酮溶剂中，质量比例为1:7，磁力搅棒1小时；之后添加Ionicliquids，三者质量比例为1:7:4，磁力搅拌10分钟。准备好离子凝胶后，在之前成膜的银纳米线上甩一层离子凝胶。匀胶机的前转设置为800转/秒，共转12秒。后转设置为3000转/秒，一共转60秒。最后放进真空干燥箱里，在70℃下干燥24小时，制得介质层。栅电极的制备步骤是：在硅片上，通过甩胶方式把银纳米线制成薄膜。匀胶机（用来甩胶的仪器）的前转设置为600转/秒，一共转5秒。后转设置为2000转/秒，一共转30秒。前转是为了铺平，后转是决定薄膜的厚度（膜的厚度由液体浓度和转速来决定的）。甩胶后在100℃下退火5分钟。

E、将D中的栅电极和介质层一同取出，倒贴在有源层上，最后在栅电极上和介质层未覆盖栅电极区域上制备保护层，得到有机光电传感器。即所述介质层在下面，栅电极在介质层上。

通过本发明上述方法制备得到的有机光电传感器具有厚度超薄、导电性高和透光性高的优异性能。图3为本发明有机光电传感器分别在黑暗和光照情况下测得的转移特性曲线图，其中，光照是波长为532nm的光的照射。由图可得出，本发明有机光电传感器具有光响应特性，且响应灵敏度较高。

综上所述，本发明提供的一种透明、柔性的光电传感器及其制备方法，本发明采用有机体异质结材料体系作为有源层材料，该材料体系应用于有机光电传感器中时，可显著提高制备的光电探测器的光电响应度，降低有机光电传感器的工作电压，提高有机光电传感器的柔性可折叠程度。另外，本发明的柔性材料层、介质层和栅电极几乎均为透明的，从而使得最终制备得到的有机光电传感器为全透明的，这样可以更好的接受光照。此外，本发明制备方法得到的有机光电传感器厚度超薄。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种透明、柔性的光电传感器，其特征在于，依次包括：衬底、在所述衬底上设置的柔性材料层、在所述柔性材料层上设置的源漏电极，在所述源漏电极上和所述柔性材料层未覆盖源漏电极区域上设置的有源层、在所述有源层上设置的介质层、在所述介质层上设置的栅电极，在所述栅电极上和所述介质层未覆盖栅电极区域上设置的保护层；其中，所述栅电极为银纳米线薄膜，所述介质层为离子凝胶。

2.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述衬底为Si或SiO₂。

3.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述柔性材料层为聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述源漏电极的材料为铬金合金。

5.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述源漏电极的有源部分设计为叉指型结构，连接部分设计为蛇形结构。

6.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述有源层为电子给体材料和电子受体材料通过溶液共混形成的有机体异质结。

7.根据权利要求6所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述电子给体材料为P3HT，所述电子受体材料为PCBM。

8.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述栅电极设计为蛇形结构。

9.根据权利要求1所述的透明、柔性的光电传感器，其特征在于，所述保护层为聚对二甲苯。

10.一种如权利要求1~9任一所述的透明、柔性的光电传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

A、通过甩胶方式在衬底上制备柔性材料层；

B、通过真空蒸镀方式在所述柔性材料层上制备源漏电极；

C、通过甩胶方式在所述源漏电极上和所述柔性材料层未覆盖源漏电极区域上制备有源层；

D、通过甩胶方式在所述有源层上制备栅电极，再在所述栅电极上通过甩胶方式制备介质层；其中，所述栅电极为银纳米线薄膜，所述介质层为离子凝胶；

E、将D中的栅电极和介质层一同取出，倒贴在有源层上，最后在栅电极上和介质层未覆盖栅电极区域上制备保护层，得到光电传感器。