CN108231944A - 一种基于新型电子传输层的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测技术领域，具体为一种基于新型电子传输层的光电探测器及其制备方法，包括透明导电基底层(1)、空穴传输层(2)、探测光敏层(3)、新型电子传输层(4)和反射电极层(5)，所述新型传输层(4)为四层结构，包括第一电子传输层(401)、第二电子传输层(402)、第三金属纳米层(403)和第四电子传输层(404)，且所述第一电子传输层(401)层叠在探测光敏层(3)之上，所述第二电子传输层(402)层叠在第一电子传输层(401)之上，所述第三金属纳米层(403)层叠在第二电子传输层(402)之上，所述第四电子传输层(404)层叠在第三金属纳米层(403)之上。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体为一种基于新型电子传输层的光电探测器及其制备方法。
背景技术
有机光电探测器由于具有柔性、廉价和易于集成等众多优点，它将在消费类电子产品、家用器具、智能建筑照明、工业、生产安全、卫生保健和生命科学、环境、玩具和教育领域有着广泛的应用。为了满足实际应用的要求，有机光电探测器应该具有高的外量子效率和较宽的光谱响应范围。目前，有机光电探测器件的光谱响应范围还比较窄。在紫外波段，由于玻璃和ITO吸收紫外光，导致器件在深紫外光区的响应比较小；在近红外波段，由于长波段激子较难分离，因此器件在近红外波段的外量子效率也比较低。因此，如何在宽光谱响应的同时，实现较高的外量子效率已经成为有机光电探测器目前研究的难点，这里涉及材料选择和器件结构设计问题。
一般的有机光电探测器通常包括阳极、阴极和夹在两个电极之间的有机层。有机层可以是一层纯的有机材料，也可以是两种或多种有机材料的混合层，还可以是一种给体材料和受体材料组成的双层结构。为了提高器件的性能，在这些层的两边还会增加一些修饰层。
所以，利用新型修饰层的改进提供一种新的响应度高寿命长的光电探测器成为我们要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高响应度光电探测器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
作为本发明的一个方面提供了一种基于新型电子传输层的光电探测器，包括透明导电基底层、空穴传输层、探测光敏层、新型电子传输层和反射电极层，其特征在于：所述新型传输层为四层结构，包括第一电子传输层、第二电子传输层、第三金属纳米层和第四电子传输层，且所述第一电子传输层层叠在探测光敏层之上，所述第二电子传输层层叠在第一电子传输层之上，所述第三金属纳米层层叠在第二电子传输层之上，所述第四电子传输层层叠在第三金属纳米层之上，所述的第一电子传输层为原子层沉积技术生长的TiO2，TiO2厚度为5nm，所述的第二电子传输层为石墨烯，石墨烯的厚度为10-50nm，所述的第三金属纳米层为金属银的纳米颗粒，所述的第三金属纳米层的名义厚度为1nm，金属银的纳米颗粒的粒径在5-10nm，所述第四电子传输层为MoO3与AlQ3的复合材料制备而成，其中MoO3与AlQ3的摩尔比为2：1，所述第四电子传输层的厚度为30-50nm。
作为优选的，所述透明导电基底层包括第一玻璃基底以及沉积在第一玻璃基底之上的氧化铟锡构成，所述的第一玻璃基底的厚度0.5-7mm，所述氧化铟锡的厚度为100-300nm，所述透明导电基底层的可见光透过率大于90％，方块电阻小于5欧姆。
作为优选的，所述的探测光敏层为PIN型结构，包括第一P型层,第一I型层和第一N型层，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层的厚度为20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：0.5的第一P型层材料、第一N型层材料和可见光敏层材料，所述的可见光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV，可见光敏材料的光吸收峰值波长范围为360-760nm。
作为优选的，所述的空穴传输层4为PEDOT:PSS，所述的空穴传输层的厚度为30-60nm。
作为优选的，所述的反射电极层采用铝、银或金制备而成，所述的反射电极层的厚度为100-1000nm。
作为本发明的第二个方面提供了一种基于新型电子传输层的光电探测器制备方法，其特征在于：探测器的制备包括以下步骤，
S1、透明导电基底层预处理；
S2、生长空穴传输层；
S3、生长探测光敏层；
S4、生长新型电子传输层；
S5、生长反射电极层。
作为优选的，步骤S1包括步骤透明导电基底层预处理包括步骤，透明导电基底层使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100℃烘干。
作为优选的，步骤S4、生长新型电子传输层包括步骤，
S41、生长第一电子传输层，在原子层沉积设备中生长5nm的TiO2作为第一电子传输层；
S42、生长第二电子传输层，通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备石墨烯，并通过转移至第一电子传输层上，其厚度为15-30nm。；
S43、生长第三金属纳米层，真空镀膜机中蒸镀银粒的方法，获得金属银的纳米颗粒，蒸镀条件为速率0.02nm/s，镀膜机本底真空度小于10-5Pa；
S44、生长第四电子传输层，真空镀膜机中通过双源共蒸的方法，分别蒸镀MoO3和AlQ3，通过石英晶振片监控MoO3与AlQ3的摩尔比为2：1，控制MoO3的沉积速率0.05nm/s，镀膜机本底真空度小于10-5Pa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过器件整体结构和新型电子传输层的配合设计，可以提高探测器的响应度和寿命。本发明中通过致密TiO2的设置，一方面阻挡水汽进入器件，另一方面，防止由于蒸镀反射电极过程中的反射电极金属元素进入器件内部造成探测器性能的衰退。利用第三金属纳米层的表面等离激元共振作用，可以将入射光尽可能多的进入光敏层内被探测器吸收，从而提高探测器的响应度。利用石墨烯第二电子传输层，促进电子的收集，利用第四电子传输层阻挡漏电流，最终大幅提高探测器的响应度。同时，第二电子传输层可以起到避免激子在第三金属纳米层猝灭的作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明新型电子传输层结构示意图；
图中：1-透明导电基底层，2-新型电子传输层，3-探测光敏层,4-电子传输层,5-反射电极层,401-第一电子传输层,402-第二电子传输层,403-第三金属纳米层,404-第四电子传输层。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于新型电子传输层的光电探测器，包括透明导电基底层1、空穴传输层2、探测光敏层3、新型电子传输层4和反射电极层5，新型传输层4为四层结构，包括第一电子传输层401、第二电子传输层402、第三金属纳米层403和第四电子传输层404，且第一电子传输层401层叠在探测光敏层3之上，第二电子传输层402层叠在第一电子传输层401之上，第三金属纳米层403层叠在第二电子传输层402之上，第四电子传输层404层叠在第三金属纳米层403之上，第一电子传输层401为原子层沉积技术生长的TiO2，TiO2厚度为5nm，第二电子传输层402为石墨烯，石墨烯的厚度为10-50nm，第三金属纳米层403为金属银的纳米颗粒，第三金属纳米层403的名义厚度为1nm，金属银的纳米颗粒的粒径在5-10nm，第四电子传输层404为MoO3与AlQ3的复合材料制备而成，其中MoO3与AlQ3的摩尔比为2：1，所述第四电子传输层404的厚度为30-50nm。
进一步的，透明导电基底层1包括第一玻璃基底以及沉积在第一玻璃基底之上的氧化铟锡构成，所述的第一玻璃基底的厚度0.5-7mm，所述氧化铟锡的厚度为100-300nm，所述透明导电基底层(1)的可见光透过率大于90％，方块电阻小于5欧姆。
进一步的，探测光敏层3为PIN型结构，包括第一P型层,第一I型层和第一N型层，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层的厚度为20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：0.5的第一P型层材料、第一N型层材料和可见光敏层材料，所述的可见光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV，可见光敏材料的光吸收峰值波长范围为360-760nm。
进一步的，所述的空穴传输层4为PEDOT:PSS，空穴传输层2的厚度为30-60nm。
进一步的，反射电极层5采用铝、银或金制备而成，所述的反射电极层(5)的厚度为100-1000nm。
一种基于新型电子传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：探测器的制备包括以下步骤，
S1、透明导电基底层预处理；
S2、生长空穴传输层；
S3、生长探测光敏层；
S4、生长新型电子传输层；
S5、生长反射电极层。
进一步的，步骤S1、透明导电基底层预处理包括步骤，透明导电基底层使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100℃烘干。
进一步的，S4、生长新型电子传输层包括步骤，
S41、生长第一电子传输层，在原子层沉积设备中生长5nm的TiO2作为第一电子传输层；
S42、生长第二电子传输层，通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备石墨烯，并通过转移至第一电子传输层上，其厚度为15-30nm。；
S43、生长第三金属纳米层，真空镀膜机中蒸镀银粒的方法，获得金属银的纳米颗粒，蒸镀条件为速率0.02nm/s，镀膜机本底真空度小于10-5Pa；
S44、生长第四电子传输层，真空镀膜机中通过双源共蒸的方法，分别蒸镀MoO3和AlQ3，通过石英晶振片监控MoO3与AlQ3的摩尔比为2：1，控制MoO3的沉积速率0.05nm/s，镀膜机本底真空度小于10-5Pa。
本采用本实施例中的新型电子传输层的探测器的响应度与不采用新型电子传输层的参考器件相比可以提高25％，寿命可以提高二倍以上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于新型电子传输层的光电探测器，包括透明导电基底层(1)、空穴传输层(2)、探测光敏层(3)、新型电子传输层(4)和反射电极层(5)，其特征在于：所述新型传输层(4)为四层结构，包括第一电子传输层(401)、第二电子传输层(402)、第三金属纳米层(403)和第四电子传输层(404)，且所述第一电子传输层(401)层叠在探测光敏层(3)之上，所述第二电子传输层(402)层叠在第一电子传输层(401)之上，所述第三金属纳米层(403)层叠在第二电子传输层(402)之上，所述第四电子传输层(404)层叠在第三金属纳米层(403)之上，所述的第一电子传输层(401)为原子层沉积技术生长的TiO2，TiO2厚度为5nm，所述的第二电子传输层(402)为石墨烯，石墨烯的厚度为10-50nm，所述的第三金属纳米层(403)为金属银的纳米颗粒，所述的第三金属纳米层(403)的名义厚度为1nm，金属银的纳米颗粒的粒径在5-10nm，所述第四电子传输层(404)为MoO3与AlQ3的复合材料制备而成，其中MoO3与AlQ3的摩尔比为2：1，所述第四电子传输层(404)的厚度为30-50nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器，其特征在于：所述透明导电基底层(1)包括第一玻璃基底以及沉积在第一玻璃基底之上的氧化铟锡构成，所述的第一玻璃基底的厚度0.5-7mm，所述氧化铟锡的厚度为100-300nm，所述透明导电基底层(1)的可见光透过率大于90％，方块电阻小于5欧姆。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器，其特征在于：所述的探测光敏层(3)为PIN型结构，包括第一P型层,第一I型层和第一N型层，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层的厚度为20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：0.5的第一P型层材料、第一N型层材料和可见光敏层材料，所述的可见光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV，可见光敏材料的光吸收峰值波长范围为360-760nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器，其特征在于：所述的空穴传输层(4)为PEDOT:PSS，所述的空穴传输层(2)的厚度为30-60nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器，其特征在于：所述的反射电极层(5)采用铝、银或金制备而成，所述的反射电极层(5)的厚度为100-1000nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：探测器的制备包括以下步骤，
S1、透明导电基底层预处理；
S2、生长空穴传输层；
S3、生长探测光敏层；
S4、生长新型电子传输层；
S5、生长反射电极层。
7.根据权利要求6所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤S1、透明导电基底层预处理包括步骤，透明导电基底层使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100℃烘干。
8.根据权利要求6所述的一种基于新型电子传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：S4、生长新型电子传输层包括步骤，
S41、生长第一电子传输层，在原子层沉积设备中生长5nm的TiO2作为第一电子传输层；
S42、生长第二电子传输层，通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备石墨烯，并通过转移至第一电子传输层上，其厚度为15-30nm。；
S43、生长第三金属纳米层，真空镀膜机中蒸镀银粒的方法，获得金属银的纳米颗粒，蒸镀条件为速率0.02nm/s，镀膜机本底真空度小于10-5Pa；
S44、生长第四电子传输层，真空镀膜机中通过双源共蒸的方法，分别蒸镀MoO3和AlQ3，通过石英晶振片监控MoO3与AlQ3的摩尔比为2：1，控制MoO3的沉积速率0.05nm/s，镀膜机本底真空度小于10-5Pa。
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