CN107331776B - 一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器 - Google Patents

一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有机光电探测器领域，特别涉及一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，即利用两种材料或者多种材料形成的电荷转移复合物在近红外区域强的吸收制备近红外光电探测器，该结构从下到上依次包括衬底阳极、空穴传输层、近红外吸收有源层、电子传输层、阴极；所述近红外吸收有源层由两种或两种以上易产生电荷转移复合物的材料构成。本发明采用旋涂法制备有机活性层，工艺简单，材料无毒，成本低，可实现大规模工业化生产。

Description

一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器
技术领域
本发明涉及有机光电探测器领域，特别涉及一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器。
背景技术
有机近红外光电探测器在红外探测、生物探测、成像、光通讯等领域有广阔的应用前景。目前的有机近红外光电探测器的研究多偏向于开发研制具有迁移率高、稳定性好、近红外吸收效率高的新型有机近红外材料，如过渡金属配合物，以菁系染料为代表的有机近红外离子染料，具有窄带宽和高摩尔吸光系数的给体-受体型窄带隙化合物等等。
然而新材料的研制过程漫长且失败率极高，合成好的新材料大多又出现难提纯、稳定性低等问题，有的化合物还具有一定的毒性，从而限制了其在器件上的应用及扩展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术目前有机近红外材料稀缺和制备困难，导致的有机近红外探测器工艺复杂、材料有毒、成本高、效率低、无法大规模生产的问题，提供一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，即利用现有的两种或多种有机材料形成的电荷转移复合物的近红外吸收设计新型的有机近红外光电探测器。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，从下到上依次包括衬底阳极、空穴传输层、近红外吸收有源层、电子传输层、阴极；所述近红外吸收有源层由两种或两种以上易产生电荷转移而形成电荷转移复合物的材料构成。
优选的，所述近红外吸收有源层为体异质结结构或者混合平面体异质结结构，该层使用旋涂法或真空蒸发镀膜制备。
优选的，所述衬底阳极为ITO玻璃层，所述ITO玻璃层作为透光面，其对近红外光的透射波长范围广，且透过率高。
优选的，所述空穴传输层由具有高空穴迁移率并且具有较高HOMO能级的材料构成，能够有效地起到空穴传输以及电子阻挡的作用，如PEDOT:PSS、MoO3；
进一步，所述空穴传输层传输空穴的同时阻挡电子，符合要求的材料均可使用，比如NiOx、PVK等。
优选的，所述电子传输层由具有高电子迁移率的材料构成，能够有效地传输电子以及阻挡空穴，如C60、PC61BM。
进一步，所述电子传输层传输电子的同时阻挡空穴，符合要求的材料均可使用，比如Bphen、BAlq、ZnO、SnO2等。
优选的，所述近红外吸收有源层的材料为PVK:DCJTB或者PVK:DCJTB:C60。
进一步，所述近红外吸收有源层，具有电荷转移复合物吸收的材料均可使用，不同材料同时可以调节器件的响应光谱。
优选的，所述阴极为金属电极，金属电极为铝、银、镁银合金、金等，金属电极采用真空蒸发镀膜、电子束蒸发或磁控溅射等方法制备。
优选的，所述空穴传输层的厚度为10-40nm。
优选的，所述近红外吸收有源层的厚度为30-120nm。
优选的，所述电子传输层的厚度为20-50nm。
优选的，所述阴极的厚度为80-150nm。
优选的，所述电子传输层的制备，使用旋涂法或真空蒸发镀膜等方法制备。
优选的，所述空穴传输层的制备，使用旋涂法或真空蒸发镀膜等方法制备。
优选的，一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器的制备方法如下：
步骤1：用无尘布和洗涤剂反复擦拭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，使用氮气吹干后在真空烘烤箱中烘干；
步骤2：再用紫外臭氧处理15分钟，以提高ITO的功函数，接着在ITO玻璃表面旋涂一层40nm厚的空穴传输层，放在真空烘箱中在120℃下烘烤20分钟；
步骤3：再在空穴传输层上旋涂120nm厚的有源层；
步骤4：接着真空蒸镀30nm的电子传输层；
步骤5：最后在电子传输层上4*10-4Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的阴极，即得到基于电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用ITO等作为衬底，PVK、DCJTB、C60等有机材料混合作为近红外吸收有源层、电子束蒸发Al作为电极层，调节形成的电荷转移复合物(PVK:DCJTB/PVK:DCJTB:C60)的吸收波长，避免了以往制备有机近红外光电探测器必须的新材料合成问题，且通过不同有机材料的选择，其电荷转移复合物的吸收波长可以进行调节，实现对近红外光信号宽波段的探测；
2、本发明采用旋涂法制备有机活性层，工艺简单，成本低，可实现大规模工业化生产；
3、本发明基于电荷转移复合物吸收的新型有机近红外光电探测器，可以通过控制有源层中给受体材料的比例来调节器件的响应速度和探测率，优化综合性能；
4、经过器件设计和优化，实现了响应波段在800-1600nm、外量子效率>8％，响应时间<50ns、比探测率在1011数量级的高效率有机近红外光电探测器，当响应波段在1300nm时效率整体提升了6％-8％。
附图说明
图1为基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器的结构图；
图2是采用实施例1、2结构制备的薄膜的近红外吸收光谱图；
图3是实施例1的器件能级图；
图4是实施例2的器件能级图；
图中标记：1-衬底阳极，2-空穴传输层，3-近红外吸收有源层，4-电子传输层，5-阴极。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，包括衬底阳极1、空穴传输层2、近红外吸收有源层3、电子传输层4、阴极5；所述近红外吸收有源层3由两种或两种以上易产生电荷转移而形成电荷转移复合物的材料构成。
所述近红外吸收有源层3为体异质结结构或者混合平面体异质结结构，该层使用旋涂法或真空蒸发镀膜制备。
所述衬底阳极1为ITO玻璃层，所述ITO玻璃层作为透光面，其对近红外光的透射波长范围广，且透过率高。
所述空穴传输层2由具有高空穴迁移率并且具有较高HOMO能级的材料构成，能够有效地起到空穴传输以及电子阻挡的作用，如PEDOT:PSS、MoO3；
所述电子传输层4由具有高电子迁移率的材料构成，能够有效地传输电子以及阻挡空穴，如C60、PC61BM。
所述近红外吸收有源层3的材料为PVK:DCJTB或者PVK:DCJTB:C60。
所述近红外吸收有源层3，除了使用PVK:DCJTB或者PVK:DCJTB:C60之外，其他具有电荷转移复合物吸收的材料可用来替换，不同材料同时可以调节器件的响应光谱。
所述电子传输层4传输电子的同时阻挡空穴，除了使用C60以及PC61BM之外，其他符合要求的材料均可用来替换，比如Bphen、BAlq、ZnO、SnO2等。
所述空穴传输层2传输空穴的同时阻挡电子，除了使用PEDOT:PSS以及MoO3之外，其他符合要求的材料均可用来替换，比如NiOx、PVK等。
所述阴极5为金属电极，金属电极为铝、银、镁银合金、金等，金属电极采用真空蒸发镀膜、电子束蒸发、磁控溅射等方法制备。
所述空穴传输层2的厚度为10-40nm。
所述近红外吸收有源层3的厚度为30-120nm。
所述电子传输层4的厚度为20-50nm。
所述阴极5的厚度为80-150nm。
所述电子传输层4的制备，使用旋涂法或真空蒸发镀膜等方法制备。
所述空穴传输层2的制备，使用旋涂法或真空蒸发镀膜等方法制备。
实施例1
基于PVK:DCJTB电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。包括ITO玻璃、PEDOT:PSS空穴传输层、有源层PVK:DCJTB、C60电子传输层和电极；其中ITO玻璃在可见光以及近红外光范围内透过率为85％；PEDOT:PSS空穴传输层有利于空穴传输；有源层PVK和DCJTB的混合重量比为10:1；C60电子传输层有利于电子传输；电极为铝电极，其功函数为4.2eV；能级分布图如图三所示，由图可知，器件有好的能级匹配，有利于电荷的收集。
上述的PEDOT:PSS是由PEDOT和PSS两种物质构成，PEDOT是EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐，PEDOT:PSS的型号是PH1000。
基于PVK:DCJTB电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器的制备方法，具体步骤为：
首先用无尘布和洗涤剂反复擦拭ITO玻璃，并用自来水冲洗干净，然后在分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各15分钟，使用氮气吹干后在真空烘烤箱中烘干。紫外臭氧处理15分钟，以提高ITO的功函数，接着在ITO玻璃表面旋涂一层40nm厚的PEDOT:PSS空穴传输层，放在真空烘箱中在120℃下烘烤20分钟；再在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂120nm厚的有源层；接着真空蒸镀30nm的C60作为电子传输层；最后在电子传输层上4*10-4Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的铝电极，即得到基于PVK:DCJTB电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。
实施例2
基于PVK:DCJTB:C60电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。包括ITO玻璃、MoO3空穴传输层、有源层PVK:DCJTB:C60、PC61BM电子传输层和电极；其中MoO3空穴传输层有利于空穴传输；有源层PVK、DCJTB、C60的混合重量比为10:1:1；PC61BM电子传输层有利于电子传输；电极为铝电极，其功函数为4.2eV；能级分布如图四所示，由图可知，器件有好的能级匹配，有利于电荷的收集。
基于PVK:DCJTB:C60电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器的制备方法，具体步骤为：
首先用无尘布和洗涤剂反复擦拭ITO玻璃，并用自来水冲洗干净，然后在分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各15分钟，使用氮气吹干后在真空烘烤箱中烘干。紫外臭氧处理15分钟，以提高ITO的功函数，接着在ITO玻璃表面真空蒸镀一层10nm厚的MoO3空穴传输层；再在MoO3空穴传输层上旋涂120nm厚的有源层；接着旋涂30nm的PC61BM作为电子传输层；最后在电子传输层上4*10-4Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的铝电极，即得到基于PVK:DCJTB:C60电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。
实施例3
基于电荷转移复合物吸收的新型有机近红外光电探测器和制备方法同实施例1，其中不同的是以PVK:DCJTB:C60代替PVK:DCJTB作为有源层，最后制得基于电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。
实施例4
基于电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器和制备方法同实施例1，其中不同的是以MoO3代替PEDOT:PSS作为空穴传输层，且以PC61BM代替C60电子传输层，最后制得基于电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。
实施例1和实施例2制备的光电探测器的有源层吸收曲线如图三所示：PVK混合DCJTB后，在近红外区域的吸收峰与PVK单模比出现了红移，这是由于PVK混合DCJTB后形成了电荷转移复合物。加入C60后吸收峰进一步红移，也可归结为电荷转移复合物的形成产生的新的吸收峰。
当有源层中加入C60后，吸收峰出现红移，制备成器件，可以实现对近红外光信号宽波段的探测。经过器件设计和优化，可实现响应波段在800-1600nm、外量子效率>8％，响应时间<50ns、比探测率在1011数量级的高效率有机近红外光电探测器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，从下到上依次包括衬底阳极(1)、空穴传输层(2)、近红外吸收有源层(3)、电子传输层(4)、阴极(5)；所述近红外吸收有源层(3)由两种或两种以上易产生电荷转移而形成电荷转移复合物的材料构成，所述近红外吸收有源层的材料为PVK:DCJTB或者PVK:DCJTB:C60，所述空穴传输层(2)的厚度为10-40nm；所述近红外吸收有源层(3)的厚度为30-120nm；所述电子传输层(4)的厚度为20-50nm；所述阴极(5)的厚度为80-150nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述近红外吸收有源层(3)为体异质结结构或者混合平面体异质结结构，该层使用旋涂法或真空蒸发镀膜法制备。
3.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述衬底阳极(1)为ITO玻璃层，ITO玻璃层作为透光面。
4.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述空穴传输层(2)由具有高空穴迁移率并且具有与ITO阳极能级匹配的较高HOMO能级的材料构成，其材料为PEDOT:PSS、MoO3符合要求的材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述电子传输层(4)由具有高电子迁移率的材料构成，其材料为C60、PC61BM符合要求的材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述近红外吸收有源层(3)的材料为PVK:DCJTB、PVK:DCJTB:C60具有电荷转移复合物吸收的材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述阴极(5)为金属电极，金属电极为铝、银、镁银合金、金，金属电极采用真空蒸发镀膜、电子束蒸发或磁控溅射方法制备。
8.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器，其特征在于，所述电子传输层(4)与空穴传输层(2)的制备，使用旋涂法或真空蒸发镀膜方法制备。
9.一种基于电荷转移复合物的新型有机近红外光电探测器的制备方法，其特征为：
步骤1：用无尘布和洗涤剂反复擦拭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，使用氮气吹干后在真空烘烤箱中烘干；
步骤2：再用紫外臭氧处理15分钟，接着在ITO玻璃表面旋涂一层40nm厚的空穴传输层(2)，放在真空烘箱中在120℃下烘烤20分钟；
步骤3：再在空穴传输层(2)上旋涂120nm厚的近红外吸收有源层(3)；
步骤4：接着真空蒸镀30nm的电子传输层(4)；
步骤5：最后在电子传输层(4)上4*10-4Pa的真空条件下蒸镀150nm厚的阴极(5)，即得到基于电荷转移复合物新型有机近红外光电探测器。
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