CN107611281A - 一种近红外到可见光上转换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种近红外到可见光上转换器，是基于有机发光场效应晶体管结构，在空穴产生层和空穴注入层之间引入近红外光敏层，从而实现近红外到可见光上转换的新功能。该近红外到可见光上转换器在实现信号增益的同时不增大噪声，相比(O)PD得到更高的光电转换效率。该近红外到可见光上转换器兼具了有机场效应晶体管的电开关功能与OLED的电致发光功能，既能够实现高的光电转换增益，又能省去制备额外的OLED单元，从而能够极大简化器件制备工艺流程，降低工业生产成本。并且，有机器件在柔性、大面积和可穿戴便携设备制备方面具有无机材料无可比拟的优势。进一步的，采用热蒸发工艺制备，工艺简单，成本较低，便于大规模生产。

Description

一种近红外到可见光上转换器及其制备方法

技术领域

本发明涉及近红外到可见光上转换成像技术领域，更具体地说，涉及一种近红外到可见光上转换器及其制备方法。

背景技术

目前，将OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)与(O)PD((Organic)Photodiode，有机或无机光电二极管)相串联构建红外-可见上转换器是比较常见方式。但是，红外-可见上转换器无法实现OLED与(O)PD内电场的独立调控，往往面临二者性能的折中；另外，(O)OD存在光电转换效率100％的上限，没有信号增益机制。因此，二者结合得不到高效的红外-可见上转换器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种近红外到可见光上转换器及其制备方法，欲实现提高近红外到可见光上转换效率的目的。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种近红外到可见光上转换器，包括：依次相连的玻璃片、栅电极、绝缘层、空穴传输层、空穴产生层、诱导层、近红外光敏层、空穴注入层、可见光发光层、电子传输层、电极修饰层、源漏电极。

优选的，所述近红外光敏层，由弱外延生长工艺制备。

优选的，所述近红外光敏层的材料为：钛菁类材料。

优选的，所述空穴传输层的材料为：空穴迁移率大于0.5cm²/V·s的材料。

优选的，所述空穴产生层的材料为：功函数在5eV以上的材料。

优选的，所述电子传输层的材料为：电子迁移率大于1×10^-3cm²/V·s的材料。

一种上述近红外到可见光上转换器的制备方法，包括：

选用带有所述栅电极的所述玻璃片作为衬底；

通过溶液旋涂法在所述衬底上制备所述绝缘层；

采用热蒸发工艺在所述绝缘层上依次制备所述空穴传输层、所述空穴产生层、所述诱导层、所述近红外光敏层、所述空穴注入层、所述可见光发光层、所述电子传输层、所述电极修饰层和所述源漏电极；

在手套箱中对制备好的器件进行封装。

优选的，所述带有所述栅电极的所述玻璃片的制备过程为：

经过光刻得到位于所述玻璃片中部的所述栅电极，所述栅电极为条形图案；

对带有所述栅电极的所述玻璃片依次通过三氯乙烯，丙酮，乙醇和去离子水超声清洗。

优选的，所述绝缘层材料包括聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯双层聚合物；

聚乙烯吡咯烷酮溶液的旋涂成膜工艺为：转速2500转/分钟，时间40秒，200度退火1小时；

聚苯乙烯溶液的旋涂成膜工艺为：转速3000转/分钟，时间30秒，85度退火1小时。

优选的，在所述手套箱的封装过程为：

使用紫外固化胶将盖玻片粘在所述源漏电极的表面，在365nm紫外光下照射1分钟，所述手套箱内的水氧含量小于0.1ppm。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的一种近红外到可见光上转换器，是基于有机发光场效应晶体管(OLEFETs,Organic Light Emitting Field Effect Transistors)结构，在空穴产生层和空穴注入层之间引入近红外光敏层，从而实现近红外到可见光上转换的新功能。该近红外到可见光上转换器在实现信号增益的同时不增大噪声，相比(O)PD得到更高的光电转换效率。该近红外到可见光上转换器兼具了有机场效应晶体管的电开关功能与OLED的电致发光功能，既能够实现高的光电转换增益，又能省去制备额外的OLED单元，从而能够极大简化器件制备工艺流程，降低工业生产成本。并且，有机器件在柔性、大面积和可穿戴便携设备制备方面具有无机材料无可比拟的优势。进一步的，采用热蒸发工艺制备，工艺简单，成本较低，便于大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种近红外到可见光上转换器的结构示意图；

图2为本发明近红外光敏层在有无p-6P诱导生长时器件的吸收光谱特性和通过p-6P诱导生长的VOPc的吸收光谱特性；

图3为本发明所涉及的器件实物图，及在有无近红外光照下的实物图；

图4为本发明所涉及的器件在不同光功率密度808nm近红外光激发下器件的上转换发光亮度和上转换效率图；

图5为本发明所涉及的器件在有无808nm近红外光激发下器件的上转换亮度和上转换效率随栅极电压变化的曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种近红外到可见光上转换器，参见图1，包括：

依次相连的玻璃片1、栅电极2、绝缘层3、空穴传输层4、空穴产生层5、诱导层6、近红外光敏层7、空穴注入层8、可见光发光层9、电子传输层10、电极修饰层11、源漏电极12。基于有机发光场效应晶体管结构，在空穴产生层5和空穴注入层8之间引入近红外光敏层7，从而实现了近红外到可见光上转换的新功能。

优选的，各个器件的材料选取如下：

栅电极2的材料采用ITO(Indium tin oxide，氧化铟锡)；

绝缘层3的材料采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚苯乙烯(PS)双层聚合物；

空穴传输层4的材料采用空穴迁移率大于0.5cm²/V·s的材料，例如并五苯(pentacene)、DPA(2,6-diphenyl anthracene，2,6-二苯基蒽)；

空穴产生层5的材料采用功函数在5eV以上的材料，例如HAT-CN、MoO₃等；

诱导层6的材料采用但不限于p-6P、CuI、BPPh或BPTT等；

近红外光敏层7的材料采用通过弱外延诱导生长的钛菁类材料，如TiOPc，PbPc，VOPc和CuPc等；

空穴注入层8的材料采用NPB(N,N′-di(naphthalene-1-yl)-N,N′-diphenyl-benzidine，N,N′-二苯基-N,N′-(1-萘基)-1,1′-联苯-4,4′-二胺)；

可见光发光层9的材料采用磷光材料，例如CBP(4,4’-bis(carbazol-9-yl)biphenyl，4,4'-双(N-咔唑)-1,1'-联苯)掺杂质量分数6％的磷光染料Ir(ppy)₃；

电子传输层10的材料采用电子迁移率大于1×10^-3cm²/V·s的材料，如Bphen、C₆₀等；

电极修饰层11的材料为Al，电极修饰层11的厚度为1nm；

源漏电极12分为源电极121和漏电极122，材料均为Ag，源电极121和漏电极122的厚度均为100nm。

本实施例还提供一种上述近红外到可见光上转换器的制备方法，具体的包括：

步骤S11：选用带有栅电极2的玻璃片1作为衬底，玻璃片1选择18mm*18mm大小；

步骤S12：通过溶液旋涂法在衬底上制备绝缘层3；

步骤S13：采用热蒸发工艺在:绝缘层3上依次制备空穴传输层4、空穴产生层5、诱导层6、近红外光敏层7、空穴注入层8、可见光发光层9、电子传输层10、电极修饰层11和源漏电极12；

步骤S14：在手套箱(未示出)中对步骤13制备好的器件进行封装，得到近红外到可见光上转换器。

其中，带有栅电极2的玻璃片1的制备过程为：

经过光刻得到位于玻璃片1中部的栅电极2，栅电极2为条形图案，具体为18mm*5mm大小；然后，对带有栅电极2的玻璃片1依次通过三氯乙烯，丙酮，乙醇和去离子水超声清洗。

制备的绝缘层3的材料包括聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯双层聚合物时，聚乙烯吡咯烷酮溶液的旋涂成膜工艺为转速2500转/分钟，时间40秒，200度退火1小时；聚苯乙烯溶液的旋涂成膜工艺为转速3000转/分钟，时间30秒，85度退火1小时。聚乙烯吡咯烷酮溶液是通过聚乙烯吡咯烷酮：交联剂:溶剂质量比为2:1:20的比例配制的；聚苯乙烯溶液是6mg/ml的甲苯溶液。

在手套箱的封装过程为：保持手套箱内的水氧含量小于0.1ppm，使用紫外固化胶将盖玻片粘在源漏电极12的表面，在365nm紫外光下照射1分钟。

图2为本发明近红外光敏层7在有无p-6P诱导生长时器件的吸收光谱特性和通过p-6P诱导生长的VOPc的吸收光谱特性，说明有p-6P诱导生长时近红外光敏层7在780～900nm近红外区有高光吸收率。

下面通过实验数据说明本发明的器件的高转换效率。

实验条件：PVP，PS采用旋涂工艺，厚度分别是350nm和30nm；剩下的材料全部是热蒸发工艺；空穴传输层选用pentacene，Pentacene速率 空穴产生层为HAT-CN，速率诱导层为p-6P，速率近红外光敏层为VOPc，速率空穴注入层为NPB，速率可见光发光层为CBP掺杂质量分数6％的磷光染料Ir(ppy)₃，CBP速率Ir(ppy)₃速率电子传输层为Bphen，速率源漏电极(Ag)速率测试光功率10.4uW/cm²，测试电压V_GS＝-60V,V_DS＝-80V。

试验结果数据：在波长808nm，光功率连续可调的近红外光激发下，器件发出发光峰为514nm的绿光，如图3所示。并且，随着近红外激发光功率的增大，器件上转换发光亮度逐渐变大，上转换效率最大达到28.7％，如图4所示。器件在3.26mWcm^-2光功率强度下亮度达到250cd/m²，上转换效率达到7％，如图5所示。上转换效率28.7％时，上转换亮度28.7cd/m²，光电转换效率532.5％。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种近红外到可见光上转换器，其特征在于，包括：依次相连的玻璃片、栅电极、绝缘层、空穴传输层、空穴产生层、诱导层、近红外光敏层、空穴注入层、可见光发光层、电子传输层、电极修饰层、源漏电极。

2.根据权利要求1所述的上转换器，其特征在于，所述近红外光敏层，由弱外延生长工艺制备。

3.根据权利要求2所述的上转换器，其特征在于，所述近红外光敏层的材料为：钛菁类材料。

4.根据权利要求1所述的上转换器，其特征在于，所述空穴传输层的材料为：空穴迁移率大于0.5cm²/V·s的材料。

5.根据权利要求1所述的上转换器，其特征在于，所述空穴产生层的材料为：功函数在5eV以上的材料。

6.根据权利要求1所述的上转换器，其特征在于，所述电子传输层的材料为：电子迁移率大于1×10^-3cm²/V·s的材料。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述近红外到可见光上转换器的制备方法，其特征在于，包括：

选用带有所述栅电极的所述玻璃片作为衬底；

通过溶液旋涂法在所述衬底上制备所述绝缘层；

采用热蒸发工艺在所述绝缘层上依次制备所述空穴传输层、所述空穴产生层、所述诱导层、所述近红外光敏层、所述空穴注入层、所述可见光发光层、所述电子传输层、所述电极修饰层和所述源漏电极；

在手套箱中对制备好的器件进行封装。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述带有所述栅电极的所述玻璃片的制备过程为：

经过光刻得到位于所述玻璃片中部的所述栅电极，所述栅电极为条形图案；

对带有所述栅电极的所述玻璃片依次通过三氯乙烯，丙酮，乙醇和去离子水超声清洗。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述绝缘层材料包括聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯双层聚合物；

聚乙烯吡咯烷酮溶液的旋涂成膜工艺为：转速2500转/分钟，时间40秒，200度退火1小时；

聚苯乙烯溶液的旋涂成膜工艺为：转速3000转/分钟，时间30秒，85度退火1小时。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述手套箱的封装过程为：

使用紫外固化胶将盖玻片粘在所述源漏电极的表面，在365nm紫外光下照射1分钟，所述手套箱内的水氧含量小于0.1ppm。