CN109309105A - 光转换的器件及其制备方法、红外成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于显示器件领域，提供了光转换的器件及其制备方法、红外成像设备。本发明提供的光转换的器件，通过将感光部件和发光部件采取衬底上并列设置并通过第一电极连接。器件在工作状态时，感光部件将输入的非可见光信号转化为光生电子，光生电子通过第一电极注入发光部件注入发光部件驱动发光部件发出可见光，使得器件具有高的感光出光效率，同时由于器件的结构紧凑、体积小、重量轻，因而满足了制备便携式红外成像设备的要求。本发明的光转换的制备方法，制备工艺简单，适合于大面积制备。

Description

光转换的器件及其制备方法、红外成像设备

技术领域

本发明属于显示器件领域，尤其涉及一种光转换的器件及其制备方法、红外成像设备。

背景技术

红外成像技术已经在医疗、军事、夜视、卫星以及民用等领域有着重要应用，一直是科学研究的一个热点。近几十年来，科研工作者们提出了可实现低频率的红外光到较高频的近红外或者高频率的可见光转换成像装置。

通常的红外-可见转换成像装置(或者光子能量上转换装置)是基于硅材料和光电倍增管的装置，装置的体积大，当其作为可穿戴的夜视装置时，存在耗电高、便携性差的缺点。为了改善前述的缺点，研究者开始转向于研究基于薄膜的夜视装置。其中较近期的一项改进是将感光和发光材料整合至一个像素中并用一个有增益功能的漏栅晶体管连接感光和发光部分，形成一个复杂的叠层结构。然而，这样的器件虽具有薄膜厚度、透明和外量子效率较高的特点，但由于器件结构复杂、工艺难度高，实现较大面积的复制是十分困难的。

因此，现有的红外-可见转换成像装置存在耗电高、便携性差、结构复杂、工艺难度高、生产成本高、难以实现较大面积的复制以及难以获得较高增益的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光转换器件及其制备方法、红外成像设备，旨在解决因此，现有的红外-可见转换成像装置存在耗电高、便携性差、结构复杂、工艺难度高、生产成本高、难以实现较大面积的复制以及难以获得较高增益的问题。

本发明提供了一种光转换的器件，所述器件包括：

衬底；

第一电极；

设置在所述衬底和所述第一电极之间的且并列设置的感光部件和发光部件；

其中，所述感光部件和所述发光部件通过所述第一电极连接。

本发明还提供了一种光转换的器件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件；

在所述感光部件上表面和所述发光部件上表面设置第一电极，使所述感光部件和所述发光部件通过第一电极连接。

本发明还提供了一种红外成像设备，所述红外成像设备包括如上所述的器件或包括如上所述的制备方法制备得到的器件。

本发明提供的光转换的器件，通过将感光部件和发光部件采取衬底上并列设置并通过第一电极将感光部件和发光部件连接的方式，器件结构更加紧凑、厚度薄、体积小。本发明光转换的器件更适合打印制备，打印制备层数较少，制备效率更高，且具有明显更高的良率。采用本发明的器件制作得到红外成像设备重量轻，适宜穿戴。本发明提供的光转换器件的制备方法，制备工艺简单，成本低，可实现大面积生产。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的光转换的器件的结构示意图；

图2是本发明的实施例提供的对应图1的光转换的器件的具体结构示意图；

图3是本发明的实施例提供的对应图2的空穴流及电子流工作原理示意图；

图4是本发明的实施例提供的对应图3的空穴流及电子流工作原理示意图；

图5是本发明的实施例提供的光转换的器件的另一种结构示意图；

图6是本发明的实施例提供的一种感光部件和发光部件组成的像素排列示意图；

图7是本发明的实施例提供的另一种感光部件和发光部件组成的像素排列示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的光转换的器件的结构示意图。该器件用于非可见光与可见光的转换，包括：衬底1、第一电极2、设置在衬底1和第一电极2之间的且并列设置的感光部件3和发光部件4，其中，感光部件3和发光部件4通过所述第一电极2连接。

通过将感光部件3和发光部件4采取衬底1上并列设置并通过第一电极2将感光部件3和发光部件4连接的方式，器件结构更加紧凑、厚度薄、体积小；由于感光部件3和发光部件4并列设置，排布更合理，打印制备层数较少，本发明光转换的器件更适合打印制备，制备效率更高，且具有明显更高的良率。

通过第一电极2将感光部件3和发光部件4连接，器件在工作状态时，感光部件3将输入的非可见光信号转化为光生电子，光生电子通过所述第一电极2注入发光部件4，驱动发光部件发出可见光。在本发明实施例中，衬底1的选用不受限制，可以采用柔性基板，也可以采用硬质基板。衬底1优选为透光性较好的玻璃基板或者柔性基板，衬底1材料对不可见波段的吸收能力较小，以保证进入器件的不可见光的信号强度不被衬底1削弱。本发明的感光部件3，例如可以是一种量子点感光部件，因为量子点发光器件有更低的驱动电压，能耗更低；采用量子点材料制备得到的器件使用寿命更长和对环境有更好的耐受性。

在其中一种实施方式中，通过第一电极2将感光部件3和发光部件4连接，器件在工作状态时，感光部件3将输入的非可见光信号转化为光生电子，光生电子通过所述第一电极2注入发光部件4，并与注入发光部件4的空穴复合后使发光部件4产生光子驱动发光部件发出可见光。本发明的发光部件4为有机发光二极管或者量子点发光二极管等不限于此，优选的采用量子点发光二极管。因为，量子点发光二极管具有更佳的色纯；量子点材料的发光峰明显较窄，在相同发光外量子效率下，可以通过调整发光波长达到比有机材料更大的输出亮度，有利于成像被人眼观测；量子点发光器件有更低的驱动电压，能耗更低；采用量子点材料制备得到的器件使用寿命更长和对环境有更好的耐受性。

在其中一种具体的实施方式中，请参阅图2，感光部件3包括第二电极301、第一空穴传输层302、吸光层303、第一电子传输层304，第二电极301设置在衬底1上，从第二电极301至第一电极2的结构顺序为第一空穴传输层302、吸光层303、第一电子传输层304；发光部件4包括第三电极401、第二空穴传输层402、发光层403、第二电子传输层404，第三电极401设置在衬底上1，从第三电极401至第一电极2的结构顺序为第二空穴传输层402、发光层403、第二电子传输层404。

具体地，第二电极301沉积在衬底1上，第二电极301的材料可以是传统的阳极材料，用于接地。优选地，可以是氧化铟锡(ITO)，其对非可见波段光的透过率能够达到80％以上，可以保证透过衬底1及ITO以后进入感光部件3的非可见光的信号强度削弱较少甚至不被削弱。

具体地，第一空穴传输层302沉积在第二电极301上，用于传输空穴。第一空穴传输层302的材料可以为传统的空穴传输材料，为了提高空穴传输效率，优选地为有机空穴传输材料、氧化物空穴传输材料中的至少一种，其中，有机空穴传输材料可以是聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物、苯胺,4-丁基-N,N-二苯基-,均聚合物(Poly-TPD)、聚(9,9-二辛基芴-CO-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)、聚(9-乙烯咔唑)(PVK)、TPD、Spiro-TPD、LG101、HAT-CN、PEDOT:PSS、TAPC、a-NPB、m-MTDATA中至少的一种；氧化物空穴传输材料可以是NixO、MoOx、VOx、WOx中的至少一种。

具体地，吸光层303沉积在第一空穴传输层302上，用于吸收非可见波段的入射光，比如近红外波段。为了提高吸光层303的吸光效率，吸光层303的厚度优选为10nm-100nm。吸光层303具体以无机半导体纳米晶作为吸光材料，优选地包括但不限于II-VI族半导体纳米晶、III-V族半导体纳米晶、II-V族半导体纳米晶、III-VI族半导体纳米晶、IV-VI族半导体纳米晶、I-III-VI族半导体纳米晶、II-IV-VI族半导体纳米晶、IV族单质半导体发光材料中的至少一种。其中，II-VI族半导体纳米晶可以是PbS、PbSe、PbTe中的至少一种，或其他二元、三元、四元的II-VI化合物；III-V族半导体纳米晶可以是InAs、InGaAs中的至少一种，或其他二元、三元、四元的III-V化合物。

具体地，第一电子传输层304沉积在吸光层303上，用于传输电子至第一电极2。第一电子传输层304的材料可以为传统的电子传输层材料，为了提高电子传输效率，优选地为宽带隙氧化物电子传输材料、宽带隙硫化物(及其纳米材料)电子传输材料，比如：ZnO，ZnS，TiO₂等；或者为有机电子传输材料，比如菲咯啉(BPHEN)，Alq₃等。

具体地，第三电极401沉积在衬底1上，第三电极401的材料可以是传统的阳极材料，用于连接电流源。优选地，可以是氧化铟锡(ITO)，其对非可见波段光的透过率能够达到80％以上，可以保证透过衬底1及ITO以后进入感光部件3的非可见光的信号强度削弱较少甚至不被削弱。

具体地，第二空穴传输层402沉积在第三电极401上，用于传输空穴。第二空穴传输层402的材料可以为传统的空穴传输材料，优选地，可以是有机空穴传输材料、氧化物空穴传输材料中的至少一种。其中，有机空穴传输材料可以是聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物、苯胺,4-丁基-N,N-二苯基-,均聚合物(Poly-TPD)、聚(9,9-二辛基芴-CO-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)、聚(9-乙烯咔唑)(PVK)、TPD、Spiro-TPD、LG101、HAT-CN、PEDOT:PSS、TAPC、a-NPB、m-MTDATA中至少的一种；氧化物空穴传输材料可以是NixO、MoOx、VOx、WOx中的至少一种。

具体地，发光层403沉积在空穴传输层402上，用于发射可见光，比如绿光波段。为了提高发光层403的发光效率，发光层403的厚度优选为10nm-100nm。发光层403具体以无机半导体纳米晶作为电致发光材料，优选地包括但不限于II-VI族半导体纳米晶、III-V族半导体纳米晶、II-V族半导体纳米晶、III-VI族半导体纳米晶、IV-VI族半导体纳米晶、I-III-VI族半导体纳米晶、II-IV-VI族半导体纳米晶、IV族单质、有机发光材料中的至少一种。其中，II-VI族半导体纳米晶可以是CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnSeS中的至少一种，或其他二元、三元、四元的II-VI化合物；III-V族半导体纳米晶可以是GaP、GaAs、InP、InAs中的至少一种，或其他二元、三元、四元的III-V化合物；有机发光材料包括有机荧光发光材料、有机磷光发光材料中的至少一种。优选地，当发光层403采用无机半导体纳米晶作为发光材料，相比有机发光材料来说，采用纳米晶材料作为发光材料具有更佳的色纯；其次，由于纳米晶材料的发光峰明显较窄，在相同发光外量子效率下可以通过调整发光波长达到比有机材料更大的输出亮度，有利于成像被人眼观测；此外，纳米晶材料作为发光材料使得器件有更低的驱动电压，降低能耗；还有，纳米晶材料可以实现实施例中展示的全无机材料组成的结构，从而提高器件的使用寿命和对环境的耐受性。

具体地，第二电子传输层404沉积在发光层403上，用于传输电子。第二电子传输层404的材料可以为传统的电子传输层材料，为了提高电子传输效率，优选地为宽带隙氧化物电子传输材料、宽带隙硫化物(及其纳米材料)电子传输材料，比如：ZnO，ZnS，TiO₂等；或者为有机电子传输材料，比如菲咯啉(BPHEN)，Alq₃等。

具体地，第一电极2作为阴极，沉积在第一电子传输层304和第二电子传输层404上，将感光部件3和发光部件4连接，由此将感光部件3产生的光生电子注入发光部件4，并与注入发光部件4的空穴复合产生光子。具体地，如图3和图4所示(其中，实心球为电子，空心球为空穴)，当发光部件4的阳极(第三电极401)连接电流源、感光部件3的阳极(第二电极301)接“地”时，感光部件3在光伏模式下，吸光层303产生的光生电子通过公用阴极(第一电极2)注入发光层403，并与注入发光部件4的阳极的空穴复合在发光层403产生光子。

在其中一种实施方式中，感光部件3和发光部件4并列且隔离设置在衬底1和第一电极2之间，感光部件3和发光部件4彼此之间独立隔开，通过第一电极2连接，感光部件3和发光部件4分别用于吸收非可见波段的入射光和发射可见波段的出射光。感光部件3和发光部件4图案化分布在衬底1上，形成感光部件和发光部件的成像阵列，将非可见光转换成可见光。由于感光部件3和发光部件4独立隔开，成像阵列的成像单元分开排列，使得阵列的分布更适应打印设备，从而使器件的制备具有更高的良率。

其中，感光部件3和发光部件4彼此之间独立隔开可以通过空间上的隔离，也可以通过设置隔离介质层隔离划分感光部件3和发光部件4(请参阅图5)，以增强图案化。图案化分布的成像阵列，可以为发光部件4与感光部件3在数量上按一比一或一比多的方式并列隔离设置在衬底1上。

应当理解的是，所述一比一或一比多的方式是一种数量的比例关系，并非对数量的严格限定，例如可以理解的是，按一比多的方式并列设置时，器件上可以并列设置有一个发光部件4和多个感光部件3，或者器件上可以并列设置有多个发光部件4和多个感光部件3，只是发光部件4数量要多于感光部件3的数量。

如图3所示，感光部件3和发光部件4以1:1的比例分布(图6中，6001代表感光部件3和发光部件4以1:1的比例分布的像素单元，其中，6002代表一感光部件3，6003代表一发光部件4)。

当发光部件4和感光部件3在数量上按一比多的方式并列隔离设置在衬底1上时，感光部件3的并联数量应大于发光部件4的并联数量，例如3个感光部件3和1个发光部件4，如图7(图7中，7001代表感光部件和发光部件以3:1的比例分布的像素单元，其中，7002代表一感光部件，7003代表一发光部件)。将多个感光部件3在电路上并联连接后，通过第一电极2与一发光部件4连接或多个并联连接的发光部件4连接，这样的设置可以增加感光部件3对发光部件4的电流供给，使得器件在不增加制备难度的前提下提高发光部件的输出亮度。在保证设备整体输出亮度的合理比例下，将多个感光部件3并联连接后，通过第一电极2与一个发光部件4连接，可以保证单个发光部件器件输出亮度，且制备效率高。

感光部件3和发光部件4的底面连接于衬底1，与该底面相对的一面是感光部件3和发光部件4的上表面，为了使第一电极2对不可见波段光的透过率尽可能高，以防止进入器件的不可见光信号通过第一电极2外泄而降低不可见光的信号强度，因此，第一电极2为不透明电极，优选为金属、导电氧化物、石墨等作为第一电极材料。为了使发光部件4能够发光效率更高，感光部件3的上表面被所述第一电极2的全覆盖，发光部件4的上表面被第一电极2部分覆盖。感光部件3的上表面被第一电极2的全覆盖可以使感光部件3产生的光生电子通过第一电极2充分注入发光部件4发光，为了保证可见光的透光效果，优选地，发光部件4上表面的被第一电极2覆盖的面积不超过发光部件4上表面面积的5％，更优选地，发光部件4上表面的被第一电极2覆盖的面积为是发光部件4上表面面积的2％-3％。

本发明提供的光转换的器件，通过将感光部件和发光部件采取衬底上并列设置并通过第一电极将感光部件和发光部件连接的方式，器件结构更加紧凑、厚度薄、体积小、重量轻。本发明光转换的器件更适合打印制备，打印制备层数较少，制备效率更高，且具有明显更高的良率。器件在工作状态时，感光部件将输入的非可见光信号转化为光生电子，光生电子通过第一电极注入发光部件驱动发光部件发出可见光，使得器件具有更高的感光出光效率。进一步的，通过将感光部件和发光部件采取衬底上并列设置，可以实现将感光部件并联后与发光部件连接，这样在不增加器件制备难度的前提下提高发光部件的输出亮度。采用本发明的器件制作得到红外成像设备重量轻，适宜穿戴。

本发明实施例提供了一种光转换的器件的制备方法。该光转换的器件的制备方法包括以下步骤：

步骤S01：在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件。

步骤S02：在感光部件上表面和发光部件上表面设置第一电极，其中，感光部件和发光部件通过第一电极连接。

在本发明实施例中，步骤S01具体包括：

步骤S011：在衬底上分别沉积第二电极和第三电极。

步骤S012：在第二电极和第三电极上沉积空穴传输材料分别形成第一空穴传输层和第二空穴传输层。

步骤S013：分别在第一空穴传输层和第二空穴传输层上沉积吸光层和发光层。

步骤S014：在吸光层和发光层上沉积电子传输材料分别形成第一电子传输层和第二电子传输层。

在本发明实施例中，步骤S02具体包括：在第一电子传输层和第二电子传输层上沉积所述第一电极，形成感光部件和发光部件公用的第一电极。

在本发明实施例中，步骤S01和步骤S02中涉及的衬底、第二电极、第三电极、第一空穴传输层、吸光层、第一电子传输层、第二空穴传输层、发光层、第二电子传输层以及第一电极的相关描述与前述实施例中对应涉及衬底1、第二电极301、第三电极401、第一空穴传输层302、吸光层303、第一电子传输层304、第二空穴传输层402、发光层403、第二电子传输层404以及第一电极2的描述一致，在此不再描述。

在本发明实施例中，由于感光部件和发光部件并列设置在衬底和第一电极之间，且两个部件有几乎相同的薄膜沉积顺序，在材料的选择上，感光部件与发光部件中空穴传输层材料与电子传输层材料可以共用，主要的区别在于吸光层材料和发光层材料，采用本发明的器件进一步简化了制备并且适宜大面积制备。

在本发明实施例中，步骤S01和步骤S02中涉及的沉积的方式可以是真空沉积、溶液涂布(例如喷墨打印、转印、压印)或者二者相结合。

以下以喷墨打印为例说明制备方法：

(1)提供衬底，在衬底上分别沉积感光部件和发光部件的电极，材料为ITO。

(2)分别在感光部件和发光部件内打印第一空穴传输层和第二空穴传输层，空穴传输材料为PEDOT：PSS和NiOx。

(3)在感光部件像素内打印吸光材料作为吸光层，材料为PbS纳米晶；在发光部件像素内打印发光材料作为发光层，材料为CdSe-CdS核壳结构纳米晶。

(4)分别在感光部件和发光部件内打印电子传输层材料形成第一电子传输层和第二电子传输层，材料为ZnO纳米颗粒。

(5)沉积阴极材料以连接感光部件和发光部件。

本发明实施例提供的光转换的器件的制备方法，由于该器件的结构简单，因而工艺难度低，操作简易，成本低，可实现大规模生产。

本发明实施例还提供了一种红外成像设备，包括如上所述的器件或包括如上所述的制备方法制备的器件。本发明实施例提供的红外成像设备具有更高的感光出光效率，体积小，重量轻，轻薄便携。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种光转换器件，其特征在于，所述器件包括：

衬底；

第一电极；

设置在所述衬底和所述第一电极之间的且并列设置的感光部件和发光部件；

其中，所述感光部件和所述发光部件通过所述第一电极连接。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，工作状态时，所述感光部件将输入的非可见光信号转化为光生电子，所述光生电子通过所述第一电极注入所述发光部件，驱动所述发光部件发出可见光。

3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，工作状态时，所述感光部件将输入的非可见光信号转化为光生电子，所述光生电子通过所述第一电极注入所述发光部件，并与注入所述发光部件的空穴复合后使所述发光部件产生光子，驱动所述发光部件发出可见光。

4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述感光部件包括第二电极、第一空穴传输层、吸光层、第一电子传输层，所述第二电极设置在所述衬底上，从所述第二电极至所述第一电极的结构顺序为所述第一空穴传输层、所述吸光层、所述第一电子传输层；和/或所述发光部件包括第三电极、第二空穴传输层、发光层、第二电子传输层，所述第三电极设置在所述衬底上，从所述第三电极至所述第一电极的结构顺序为所述第二空穴传输层、所述发光层、所述第二电子传输层。

5.如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述第一空穴传输层的材料和/或所述第二空穴传输层的材料为有机空穴传输材料、氧化物空穴传输材料中的至少一种；和/或

所述第一电子传输层的材料和/或所述第二电子传输层的材料为氧化物电子传输材料、硫化物电子传输材料、硫化物纳米材料电子传输材料、有机电子传输材料中的至少一种。

6.如权利要求4所述的器件，其特征在于，

所述吸光层的材料为无机半导体纳米晶；和/或

所述发光层的材料为无机半导体纳米晶、IV族单质半导体发光材料、有机发光材料中的至少一种；和/或

所述吸光层的厚度为10nm-100nm；和/或

所述发光层的厚度为10nm-100nm。

7.如权利要求1-4任意一项所述的器件，其特征在于，所述发光部件和感光部件按一比多的方式并列设置在所述衬底上，并联连接的多个感光部件通过所述第一电极与多个并联连接的发光部件连接。

8.如权利要求1-4任意一项所述的器件，其特征在于，所述发光部件和所述感光部件按一比多的方式并列设置在所述衬底上，并联连接的多个感光部件通过所述第一电极与一发光部件连接。

9.如权利要求1-4任意一项所述的器件，其特征在于，所述器件包括多个感光部件和一个发光部件，并联连接的多个感光部件通过所述第一电极与一发光部件连接。

10.如权利要求1-4任一项所述的器件，其特征在于，所述感光部件上表面被所述第一电极全部覆盖，所述发光部件上表面被所述第一电极部分覆盖。

11.一种光转换器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件；

在所述感光部件上表面和所述发光部件上表面设置第一电极，使所述感光部件和所述发光部件通过所述第一电极连接。

12.如权利要求11所述的制备方法，所述感光部件包括第二电极、第一空穴传输层、吸光层、第一电子传输层；所述发光部件包括第三电极、第二空穴传输层、发光层、第二电子传输层，其特征在于，所述在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件的步骤，包括：

在所述衬底上分别沉积第二电极和第三电极；

在所述第二电极和所述第三电极上沉积空穴传输材料分别形成第一空穴传输层和第二空穴传输层；

分别在所述第一空穴传输层和所述第二空穴传输层上沉积吸光层和发光层；

在所述吸光层和所述发光层上沉积电子传输材料分别形成第一电子传输层和第二电子传输层；

所述在所述感光部件上表面和所述发光部件上表面设置第一电极的步骤，包括：

在所述第一电子传输层和所述第二电子传输层上沉积所述第一电极。

13.一种红外成像设备，其特征在于，所述红外成像设备包括权利要求1-10任一项所述的器件或包括由权利要求11-12任一项所述的制备方法制备获得的器件。