CN108448000A - 一种红外-可见光学上转换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种红外‑可见光学上转换器件，所述上转换器件包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极之间依次设置有第一有机发光二极管、红外光敏层和第二有机发光二极管，所述红外光敏层为在红外波段有吸收的材料，所述第一有机发光二极管从下到上依次设置有第一空穴传输层、第一发光层和第一电子传输层，所述第二有机发光二极管从下到上依次设置有第二空穴传输层、第二发光层和第二电子传输层。本发明可以同时利用光生空穴和光生电子产生可见光发射，发射出的可见光光子数是吸收的红外光光子数的2倍。即便是在红外光敏材料吸收较弱的波段也能实现较高的红外‑可见光的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种红外-可见光学上转换器件。
背景技术
近几十年来，科学工作者一直在探索一种可将人眼无法看到的红外(IR)辐射转换为可见光的光学转换器件，因为它在夜视、医疗、通讯、军事等领域具有重要应用。早期的红外上转换器件主要基于无机半导体，如Ge-GaAs异质结、肖特基二极管、以及发光二极管(LED)与InGaAs光电探测器的集成器件等。这些基于无机半导体的红外上转换器件的发射波长都在800nm以上。这个波段的光仍然是人眼无法直接观看到的，还需要借助硅电荷耦合器件(CCD)将光学影像转化为数字信号，再通过计算机处理才能得到图像，过程非常复杂，成本也比较昂贵。
有机半导体具有成本低廉、工艺简单、光谱可调以及层生长没有“晶格匹配”要求等优异性质，近年来被广泛应用于红外上转换器件中。例如，班大燕等将有机发光二极管(OLED)与无机InGaAs/InP光电探测器集成制备出一种混合型有机/无机红外-可见光学上转换器件。这种混合型有机/无机红外上转换器件可以将1.5um的近红外辐射直接转变为520nm的可见光，实现人眼的直接观测。然而，集成无机InGaAs/InP光电探测器仍然需要外延生长，导致制备过程较为复杂和昂贵，不利于大面积应用。
2002年，日本KiyoshiYase等将有机光敏材料TiOPC集成在OLED器件中制备出一种有机红外-可见光学上转换器件。这种有机红外-可见光学上转换器件完全继承了有机半导体制备工艺简单、成本低廉、可柔性、容易大面积制备的优点，是最具应用潜力的一种红外上转换器件。随后，Franky So等多个研究小组进一步引入了复合光敏层和磷光OLED，显著地提高了有机红外-可见光学上转换器件的光-光转换效率。然而，由于有机材料的带隙比较宽，有机红外-可见光学上转换器件在900nm以上的波段的光-光转换效率非常低，这对夜视等应用是非常不利的。
发明内容
本发明旨在提供一种红外-可见光学上转换器件，用来提高红外-可见光的转换效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种红外-可见光学上转换器件，包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极之间依次设置有第一有机发光二极管、红外光敏层和第二有机发光二极管，所述红外光敏层为在红外波段有吸收的材料，所述第一有机发光二极管从下到上依次设置有第一空穴传输层、第一发光层和第一电子传输层，所述第二有机发光二极管从下到上依次设置有第二空穴传输层、第二发光层和第二电子传输层，在红外光照射下，所述第一有机发光二极管和所述第二有机发光二极管均产生可见光发射。
可选的，所述红外-可见光学上转换器件还包括中间连接层，所述中间连接层设置于所述第一有机发光二极管上，并且与所述红外光敏层连接。
可选的，所述第一有机发光二极管还包括第一电子注入层，所述第一电子注入层设置于所述第一电子传输层上。
可选的，所述第二有机发光二极管还包括第二电子注入层，所述第二电子注入层设置于所述第二电子传输层上。
可选的，所述红外光敏层的材料为SnNcCl2、SnNcCl2:C60、SnPc、SnPc:C60、ClAlPc、ClAlPc:C70、TiOPC、TiOPC:C60、PbSe、PbS、InAs、GaAs、InGaAs、Si、Ge、GeSn、HgCdTe和钙钛矿材料中的至少一种。
可选的，所述第一空穴传输层和第二空穴传输层的材料为NPB、TAPC、TCTA和CBP中的至少一种。
可选的，所述第一发光层和第二发光层的材料由DCJTB、C545T、Ir(piq)3、Ir(ppy)3、Ir(piq)2(acac)、Ir(ppy)2(acac)和FIrpic中的至少一种掺杂在主体材料中构成，所述主体材料为所述第一空穴传输层、所述第二空穴传输层、所述第一电子传输层或所述第二电子传输层的材料。
可选的，所述第一电子传输层和第二电子传输层的材料为Bphen、B4PyPPM、TPBi、3TPYMB和TmPyPb中的至少一种。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出的红外-可见光学上转换器件，可以同时利用光生空穴和光生电子产生可见光发射，发射出的可见光光子数是吸收的红外光光子数的2倍。即便是在红外光敏材料吸收较弱的波段也能实现较高的红外-可见光的转换效率。
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为本发明的红外-可见光学上转换器件的结构示意图；
图2a为本发明的红外-可见光学上转换器件在无光照射下的工作示意图；
图2b为本发明的红外-可见光学上转换器件在红外光照射下的工作示意图；
图3为本发明的红外-可见光学上转换器件的实施例1的结构示意图；
图4为现有技术的红外-可见光学上转换器件的实施例2的结构示意图；
图5为实施例1和实施例2中红外光敏层的吸收光谱、红外光源和红外-可见光学上转换器件的电致发光光谱；
图6a为实施例1和实施例2中红外-可见光学上转换器件在有/无红外光照射下的电流-电压关系曲线；
图6b为实施例1和实施例2中红外-可见光学上转换器件在有/无红外光照射下的亮度-电压关系曲线；
图7a为实施例1和实施例2中红外-可见光学上转换器件的开/关比-亮度关系曲线；
图7b为实施例1和实施例2中红外-可见光学上转换器件的光-光转换效率曲线；
图8为实施例1中红外-可见光学上转换器件在有/无红外光照射下的图像。
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的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。
本发明的目的是提供一种红外-可见光学上转换器件，用来提高红外-可见光的转换效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的红外-可见光学上转换器件的结构示意图。如图1所述，所述红外-可见光学上转换器件包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极之间依次设置有第一有机发光二极管(OLED)、红外(IR)光敏层和第二有机发光二极管，所述红外光敏层为在红外波段有吸收的材料，所述第一有机发光二极管从下到上依次设置有第一空穴传输层、第一发光层和第一电子传输层，所述第二有机发光二极管从下到上依次设置有第二空穴传输层、第二发光层和第二电子传输层。
区别于传统的红外-可见光学上转换器件的是，本发明提出的红外-可见光学上转换器件可以同时利用光生电子和空穴产生可见光发射，发射出的可见光光子数是吸收的红外光光子数的2倍。
图2a为本发明的红外-可见光学上转换器件在无光照射下的工作示意图，其中，HTL表示空穴传输层，EML表示发光层，HTL表示电子传输层，IRL表示红外光敏层。如图2a所示，在外电场作用下，空穴由阳极注入后由于界面能量势垒聚集在第一OLED的发光层/电子传输层界面；同时，电子由阴极注入由于界面能量势垒聚集在第二OLED的空穴传输层/发光层界面。因此，在无光照射下第一OLED和第二OLED都不能产生可见光发射，整个器件处于关闭状态。
图2b为本发明的红外-可见光学上转换器件在红外光照射下的工作示意图，其中，HTL表示空穴传输层，EML表示发光层，HTL表示电子传输层，IRL表示红外光敏层。如图2b所示，在红外光照射下，红外光敏材料吸收光子能量后，基态电子跃迁到激发态形成激子在电场作用下分解为光生电子和空穴；光生电子注入到第一OLED中与阳极注入的空穴发生辐射复合产生可见光发射；同时，光生电子空穴到第二OLED中与阴极注入的电子发生辐射复合也产生可见光发射。换句话说，在红外光照射下，第一OLED和第二OLED都可以产生可见光发射，整个器件处于开启状态。
本发明提出的红外-可见光学上转换器件，除红外光敏层外其他层均为OLED器件中的常规部件。在常规的OLED中，通常还可能包含空穴注入层、空穴阻挡层、电子注入层、电子阻挡层等功能层。在串联式OLED中，电荷产生层和第一OLED界面通常还可能设置有中间连接层。为简化起见，图1、2a和2b中并未标示出这些功能层，但这些都在本发明的保护范围之内。
图1、2a和2b中所示的红外-可见光学上转换器件为底发射器件，但也可以把阴极设置为透明电极，使第一OLED和第二OLED发出的光从顶电极射出，制备顶发射红外-可见光学上转换器件。此外，还可以把阴极置于衬底端，制备倒置型红外-可见光学上转换器件，这些常规的结构变化都在本发明的保护范围之内。
所述的红外光敏层，可以是任意一种在红外波段有吸收的材料或多种材料的组合，如SnNcCl2、SnNcCl2:C60、SnPc、SnPc:C60、ClAlPc、ClAlPc:C70、TiOPC、TiOPC:C60、PbSe、PbS、InAs、GaAs、InGaAs、Si、Ge、GeSn、HgCdTe和钙钛矿材料等，但实施方案并不限于此。
所述的基底，可以是光滑的玻璃、硅片等，但实施方案并不限于此。
所述的阳极，可以是ITO、FTO、IZO、铝、银、金等，但实施方案并不限于此。
所述的空穴传输层的材料，可以是NPB、TAPC、TCTA、CBP等，但实施方案并不限于此。
所述发光层的材料，可以由DCJTB、C545T、Ir(piq)3、Ir(ppy)3、Ir(piq)2(acac)、Ir(ppy)2(acac)和FIrpic等掺杂在电子传输层、空穴传输层或其他主体材料中构成，但实施方案并不限于此。
所述的电子传输层的材料，可以是Bphen、B4PyPPM、TPBi、3TPYMB、TmPyPb等，但实施方案并不限于此。
所述的阴极，可以是铝、银、镁、钙等，但实施方案并不限于此。
下面，通过具体实施例对本发明进行举例说明。
图3为本发明的红外-可见光学上转换器件的实施例1的结构示意图，如图3所示：
一种红外-可见光学上转换器件，所述上转换器件各层从下往上按照下列顺序排列：基底11、阳极12、空穴传输层131、发光层132、电子传输层133、电子注入层134、中间连接层14、红外光敏层15、空穴传输层161、发光层162、电子传输层163、电子注入层164、阴极17，其中：
基底11为平滑、透光性较好的玻璃；
阳极12为光刻在基底11上的ITO，电阻为15Ω/sq；
空穴传输层131为沉积在阳极12上的NPB，厚度为50nm；
发光层132为沉积在空穴传输层131上的掺杂型发光材料CBP:Ir(ppy)2(acac)，掺杂浓度为8wt.％，厚度为30nm；
电子传输层133为沉积在发光层132上的B4PyPPM，厚度为40nm；
电子注入层134为沉积在电子传输层133上的Liq，厚度为1nm；
中间连接层14为沉积在电子注入层134上的Al，厚度为1nm；
红外光敏层15为沉积在中间连接层14上的复合型光敏材料SnNcCl2:C60，掺杂浓度为25wt.％，厚度为20nm；
空穴传输层161为沉积在红外光敏层15上的NPB，厚度为50nm；
发光层162为沉积在空穴传输层161上的掺杂型发光材料CBP:Ir(ppy)2(acac)，掺杂浓度为8wt.％，厚度为30nm；
电子传输层163为沉积在发光层162上的B4PyPPM，厚度为40nm；
电子注入层164为沉积在电子传输层163上的Liq，厚度为1nm；
阴极17为沉积在164上的Al，厚度为100nm。
图4为现有技术的红外-可见光学上转换器件的实施例2的结构示意图；如图4所示：一种传统的红外-可见光学上转换器件，该器件各层从下往上按照下列顺序排列：基底21、阳极22、红外光敏层23、空穴传输层241、发光层242、电子传输层243、电子注入层244、阴极25，其中：
基底21为平滑、透光性较好的玻璃；
阳极22为光刻在基底21上的ITO，电阻为15Ω/sq；
红外光敏层23为沉积在阳极22上的复合型光敏材料SnNcCl2:C60，掺杂浓度为25wt.％，厚度为20nm；
空穴传输层241为沉积在红外光敏层23上的NPB，厚度为50nm；
发光层242为沉积在空穴传输层241上的掺杂型发光材料CBP:Ir(ppy)2(acac)，掺杂浓度为8wt.％，厚度为30nm；
电子传输层243为沉积在发光层242上的B4PyPPM，厚度为40nm；
电子注入层244为沉积在电子传输层243上的Liq，厚度为1nm；
阴极25为沉积在244上的Al，厚度为100nm。
参见图5，实施例1中的红外-可见光学上转换器件和实施例2中的传统红外-可见光学上转换器件都可以实现从980nm红外光到520nm绿光的转换。
参见图6a和6b，实施例1中的红外-可见光学上转换器件在红外光照射下的电流和亮度增益明显高于实施例2中的传统红外-可见光学上转换器件。
参见图7a和7b，本发明提出的红外-可见光学上转换器件可以同时利用光生电子和空穴注入到第一OLED和第二OLED产生可见光发射，实施例1的开关比和光-光转换效率显著高于实施例2。
参见图8，本发明提出的红外-可见光学上转换器件具有大面积、无像素成像的能力，可广泛应用于红外夜视、医学检测、工业探伤等诸多领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，通过实施例1和实施例2对比重点说明本发明与现有技术的不同之处，各个实施例之间的相同相似部分可互相参见。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种红外-可见光学上转换器件，其特征在于，所述上转换器件包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极之间依次设置有第一有机发光二极管、红外光敏层和第二有机发光二极管，所述红外光敏层为在红外波段有吸收的材料，所述第一有机发光二极管从下到上依次设置有第一空穴传输层、第一发光层和第一电子传输层，所述第二有机发光二极管从下到上依次设置有第二空穴传输层、第二发光层和第二电子传输层，在红外光照射下，所述第一有机发光二极管和所述第二有机发光二极管均产生可见光发射。
2.根据权利要求1所述的红外-可见光学上转换器件，其特征在于，所述红外光敏层的材料为SnNcCl2、SnNcCl2:C60、SnPc、SnPc:C60、ClAlPc、ClAlPc:C70、TiOPC、TiOPC:C60、PbSe、PbS、InAs、GaAs、InGaAs、Si、Ge、GeSn、HgCdTe和钙钛矿材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的红外-可见光学上转换器件，其特征在于，所述红外-可见光学上转换器件还包括中间连接层，所述中间连接层设置于所述第一有机发光二极管上，并且与所述红外光敏层连接。
4.根据权利要求1所述的红外-可见光学上转换器件，其特征在于，所述第一空穴传输层和所述第二空穴传输层的材料为NPB、TAPC、TCTA和CBP中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的红外-可见光学上转换器件，其特征在于，所述第一发光层和所述第二发光层的材料由DCJTB、C545T、Ir(piq)3、Ir(ppy)3、Ir(piq)2(acac)、Ir(ppy)2(acac)和FIrpic中的至少一种掺杂在主体材料中构成，所述主体材料为所述第一空穴传输层、所述第二空穴传输层、所述第一电子传输层或所述第二电子传输层的材料。
6.根据权利要求1所述的红外-可见光学上转换器件，其特征在于，所述第一电子传输层和所述第二电子传输层的材料为Bphen、B4PyPPM、TPBi、3TPYMB和TmPyPb中的至少一种。
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